中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 4月12日,《科學(xué)進展》(Science Advances) 在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心題為《鉀離子轉(zhuǎn)運蛋白TaNHX2與谷氨酸脫羧酶TaGAD1相互作用:通過調(diào)節(jié)氣孔開度增強小麥抗旱性》(The potassium transporter TaNHX2 interacts with TaGAD1 to promote drought tolerance via modulating stomatal aperture in wheat)的研究論文,該研究揭示了定位于液泡膜的K+/H+轉(zhuǎn)運蛋白TaNHX2調(diào)控小麥抗旱性的新機制,系統(tǒng)解析了TaNHX2蛋白通過與谷氨酸脫羧酶TaGAD1互作,解除TaGAD1自我抑制,促進GABA(γ-氨基丁酸)積累,從而靈活調(diào)控氣孔運動提高抗旱性的分子機制,為小麥抗旱性遺傳改良提供了新思路和重要基因資源。
小麥?zhǔn)鞘澜绶秶鷥?nèi)主要糧食作物之一,也是我國重要的口糧作物。小麥的持續(xù)增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)是確保國家“口糧絕對安全”的重大戰(zhàn)略需求,而干旱是影響小麥生產(chǎn)的主要非生物逆境之一,嚴重制約著小麥產(chǎn)量。因此,挖掘和鑒定小麥抗旱關(guān)鍵基因,深入揭示其調(diào)控抗旱性的分子基礎(chǔ)和遺傳網(wǎng)絡(luò),可進一步拓展和深化對小麥抗旱應(yīng)答及遺傳調(diào)控機理的認識,對抗旱高產(chǎn)小麥新品種設(shè)計和培育也具有重要指導(dǎo)作用和實踐應(yīng)用價值。
研究者鑒定到一個定位于小麥細胞內(nèi)液泡膜上的K+/H+轉(zhuǎn)運蛋白TaNHX2,其受旱脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達。通過對敲除以及超表達材料抗旱性表型鑒定,證實TaNHX2能夠顯著提高小麥抗旱性,進一步發(fā)現(xiàn)其對小麥根系生長發(fā)育無顯著影響,主要通過影響旱脅迫下葉片失水率參與小麥抗旱性調(diào)控。氣孔作為植物控制水分散失的“守門員”,在抗旱性中扮演著至關(guān)重要的角色。因此,作者對不同轉(zhuǎn)基因株系在旱脅迫下的氣孔調(diào)控表現(xiàn)展開研究,發(fā)現(xiàn)TaNHX2通過干旱脅迫下積極調(diào)控氣孔的關(guān)閉來減少水分散失,進而提高小麥水分利用效率,增強抗旱性。
作者進一步篩選到一個與TaNHX2互作且定位于胞質(zhì)的蛋白TaGAD1,該基因編碼谷氨酸脫羧酶,是GABA合成的關(guān)鍵酶。GABA是一種不參與蛋白質(zhì)合成的氨基酸小分子,在動物中,GABA被證實是重要的傳遞神經(jīng)信號的分子,它能通過其受體使神經(jīng)細胞發(fā)生極化。有研究表明,GABA參與植物多種逆境響應(yīng),在植物氣孔調(diào)節(jié)中也發(fā)揮著重要作用,然而目前對其調(diào)控機制還不清楚。作者對TaNHX2不同轉(zhuǎn)基因株系旱脅迫下的GABA含量及GAD酶活進行測定,結(jié)果顯示,超表達株系的GAD酶活及GABA積累量更高,敲除株系反之。此外,作者發(fā)現(xiàn)外源噴施GABA可以有效恢復(fù)tanhx2突變體在旱脅迫下的氣孔缺陷表型提高抗旱性。為了進一步解析分子機制,作者通過分段互作及酶活測定實驗揭示了TaNHX2通過其朝向胞質(zhì)側(cè)的末端結(jié)構(gòu)域與谷氨酸脫羧酶TaGAD1自抑制結(jié)構(gòu)域互作,解除TaGAD1活性抑制,進而促進GABA的積累,從而靈活調(diào)控氣孔運動抵御旱脅迫的分子機制。此外,通過對TaGAD1敲除株系表型鑒定,同樣證實了其在小麥抗旱性中發(fā)揮積極作用。尤其是,大田抗旱性試驗發(fā)現(xiàn)TaNHX2能夠有效提升小麥在旱脅迫下的產(chǎn)量,且對其他重要農(nóng)藝性狀沒有負效應(yīng),表明TaNHX2-TaGAD1調(diào)控的GABA合成途徑在小麥協(xié)同調(diào)控生長發(fā)育和抵御水分脅迫過程中起了重要作用,為小麥抗逆高產(chǎn)協(xié)同改良提供了關(guān)鍵基因資源。
該研究解析了TaNHX2-TaGAD1調(diào)控小麥抗旱性的分子模塊,首次揭示了TaNHX2蛋白除離子轉(zhuǎn)運功能之外,通過與谷氨酸脫羧酶互作并調(diào)控其活性,進而通過調(diào)節(jié)GABA合成提高小麥抗旱性的新機制,拓展和深化了對小麥抗旱應(yīng)答及遺傳調(diào)控機理的認識,同時發(fā)掘了GABA在作物抗旱遺傳改良和育種中的應(yīng)用潛力。研究結(jié)果為深入理解小麥抗旱高產(chǎn)性狀協(xié)同改良的分子機制提供了重要線索,為抗旱穩(wěn)產(chǎn)小麥新品種設(shè)計和培育提供了新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)思路。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心博士研究生李金鵬,已畢業(yè)博士生劉星貝和博士研究生萇淑敏為論文共同第一作者,小麥研究中心胡兆榮教授與河南大學(xué)龍雨教授為該論文的共同通訊作者。小麥研究中心孫其信院士、倪中福教授、彭惠茹教授、姚穎垠教授、辛明明教授、郭偉龍副教授對該工作進行了指導(dǎo)和幫助。感謝小麥研究中心博士研究生褚蔚、林靖辰以及河南大學(xué)龍雨課題組的研究生周慧、胡卓冉、研究助理張滿倉對本研究的協(xié)助和支持。感謝天津農(nóng)學(xué)院謝曉東研究員和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院何俊娜副教授提供的技術(shù)支持與幫助。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFF1001604)、國家自然科學(xué)基金(32130078,32072001)、分子設(shè)計育種前沿科學(xué)中心(2023TC200)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“2115人才培育計劃”的資助。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk4027
日期:2024-05-21
小麥?zhǔn)鞘澜绶秶鷥?nèi)主要糧食作物之一,也是我國重要的口糧作物。小麥的持續(xù)增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)是確保國家“口糧絕對安全”的重大戰(zhàn)略需求,而干旱是影響小麥生產(chǎn)的主要非生物逆境之一,嚴重制約著小麥產(chǎn)量。因此,挖掘和鑒定小麥抗旱關(guān)鍵基因,深入揭示其調(diào)控抗旱性的分子基礎(chǔ)和遺傳網(wǎng)絡(luò),可進一步拓展和深化對小麥抗旱應(yīng)答及遺傳調(diào)控機理的認識,對抗旱高產(chǎn)小麥新品種設(shè)計和培育也具有重要指導(dǎo)作用和實踐應(yīng)用價值。
研究者鑒定到一個定位于小麥細胞內(nèi)液泡膜上的K+/H+轉(zhuǎn)運蛋白TaNHX2,其受旱脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達。通過對敲除以及超表達材料抗旱性表型鑒定,證實TaNHX2能夠顯著提高小麥抗旱性,進一步發(fā)現(xiàn)其對小麥根系生長發(fā)育無顯著影響,主要通過影響旱脅迫下葉片失水率參與小麥抗旱性調(diào)控。氣孔作為植物控制水分散失的“守門員”,在抗旱性中扮演著至關(guān)重要的角色。因此,作者對不同轉(zhuǎn)基因株系在旱脅迫下的氣孔調(diào)控表現(xiàn)展開研究,發(fā)現(xiàn)TaNHX2通過干旱脅迫下積極調(diào)控氣孔的關(guān)閉來減少水分散失,進而提高小麥水分利用效率,增強抗旱性。
作者進一步篩選到一個與TaNHX2互作且定位于胞質(zhì)的蛋白TaGAD1,該基因編碼谷氨酸脫羧酶,是GABA合成的關(guān)鍵酶。GABA是一種不參與蛋白質(zhì)合成的氨基酸小分子,在動物中,GABA被證實是重要的傳遞神經(jīng)信號的分子,它能通過其受體使神經(jīng)細胞發(fā)生極化。有研究表明,GABA參與植物多種逆境響應(yīng),在植物氣孔調(diào)節(jié)中也發(fā)揮著重要作用,然而目前對其調(diào)控機制還不清楚。作者對TaNHX2不同轉(zhuǎn)基因株系旱脅迫下的GABA含量及GAD酶活進行測定,結(jié)果顯示,超表達株系的GAD酶活及GABA積累量更高,敲除株系反之。此外,作者發(fā)現(xiàn)外源噴施GABA可以有效恢復(fù)tanhx2突變體在旱脅迫下的氣孔缺陷表型提高抗旱性。為了進一步解析分子機制,作者通過分段互作及酶活測定實驗揭示了TaNHX2通過其朝向胞質(zhì)側(cè)的末端結(jié)構(gòu)域與谷氨酸脫羧酶TaGAD1自抑制結(jié)構(gòu)域互作,解除TaGAD1活性抑制,進而促進GABA的積累,從而靈活調(diào)控氣孔運動抵御旱脅迫的分子機制。此外,通過對TaGAD1敲除株系表型鑒定,同樣證實了其在小麥抗旱性中發(fā)揮積極作用。尤其是,大田抗旱性試驗發(fā)現(xiàn)TaNHX2能夠有效提升小麥在旱脅迫下的產(chǎn)量,且對其他重要農(nóng)藝性狀沒有負效應(yīng),表明TaNHX2-TaGAD1調(diào)控的GABA合成途徑在小麥協(xié)同調(diào)控生長發(fā)育和抵御水分脅迫過程中起了重要作用,為小麥抗逆高產(chǎn)協(xié)同改良提供了關(guān)鍵基因資源。
該研究解析了TaNHX2-TaGAD1調(diào)控小麥抗旱性的分子模塊,首次揭示了TaNHX2蛋白除離子轉(zhuǎn)運功能之外,通過與谷氨酸脫羧酶互作并調(diào)控其活性,進而通過調(diào)節(jié)GABA合成提高小麥抗旱性的新機制,拓展和深化了對小麥抗旱應(yīng)答及遺傳調(diào)控機理的認識,同時發(fā)掘了GABA在作物抗旱遺傳改良和育種中的應(yīng)用潛力。研究結(jié)果為深入理解小麥抗旱高產(chǎn)性狀協(xié)同改良的分子機制提供了重要線索,為抗旱穩(wěn)產(chǎn)小麥新品種設(shè)計和培育提供了新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)思路。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心博士研究生李金鵬,已畢業(yè)博士生劉星貝和博士研究生萇淑敏為論文共同第一作者,小麥研究中心胡兆榮教授與河南大學(xué)龍雨教授為該論文的共同通訊作者。小麥研究中心孫其信院士、倪中福教授、彭惠茹教授、姚穎垠教授、辛明明教授、郭偉龍副教授對該工作進行了指導(dǎo)和幫助。感謝小麥研究中心博士研究生褚蔚、林靖辰以及河南大學(xué)龍雨課題組的研究生周慧、胡卓冉、研究助理張滿倉對本研究的協(xié)助和支持。感謝天津農(nóng)學(xué)院謝曉東研究員和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院何俊娜副教授提供的技術(shù)支持與幫助。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFF1001604)、國家自然科學(xué)基金(32130078,32072001)、分子設(shè)計育種前沿科學(xué)中心(2023TC200)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“2115人才培育計劃”的資助。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk4027
日期:2024-05-21