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中美科学家发现大幅提高水稻抗旱性蛋白

时间:2016-02-03 11:24来源:新华网   作者:未知 阅读:

中美科学家发现大幅提高水稻抗旱性蛋白

  中美研究人员2月1日说,利用基因技术让水稻及其他作物产生大量PYL9蛋白,可显著提高它们的抗旱性能,从而帮助提高粮食安全。

  这项成果当天发表在新一期美国《国家科学院学报》上,由中科院上海植物逆境生物学研究中心与美国珀杜大学等单位联合完成。

  论文第一作者、上海植物逆境生物学研究中心赵杨告诉新华社记者,这些转基因作物的抗旱策略是让老叶加速衰老,而把养分留给幼叶和芽来提高存活率,与壁虎断尾求生类似。

  赵杨同时也在珀杜大学做研究。他说,植物的抗旱机制很大程度上依赖于一种叫脱落酸的植物激素,但脱落酸如何帮助植物抗干旱的分子机制尚未弄清。为此,他们通过转基因人为控制植物生成脱落酸的PYL受体蛋白,发现其中一种蛋白PYL9过度生成会很好地增强植物的抗旱性能。

  实验表明,在两周干旱的情况下,野生型水稻的存活率为10%,而转基因水稻存活率在50%以上。

  赵杨说,PYL9抗旱采取了多种策略,包括关闭气孔、抑制生长、促进休眠、促进叶表面蜡质合成等,其中最有意思的是加速老叶衰老。水分是光合作用的原材料,所以极端干旱环境中的植物光合作用很弱。老叶的衰老可以节省水分和养分消耗,同时将养分甚至水分转移到幼叶和芽中,增强了幼叶和芽的存活率。

  这项研究虽然只使用了水稻与模式植物拟南芥,但赵杨认为,这种抗旱方法适用于绝大多数植物。

  赵杨等人没有分析PYL9转基因对作物产量和品质的影响。他说:“由于水分是光合作用的原材料,干旱必然造成生物总量、产量和品质的降低,转基因能改善植物抗旱性,增强存活率,”能在极端条件下避免绝收,从而提高了粮食安全。

  对于该研究的意义,他说,一是证实脱落酸直接诱导衰老,而不是通过合成其他物质来促进叶片衰老和脱落,解决了长期的争议问题;二是阐明了老叶衰老对植物抗旱的意义,说明老叶衰老有利于植物在极端干旱条件下存活。而此前有研究者提出,阻止衰老有利于作物抗旱,并提议将其作为抗旱品种的筛选标准。

  中国科学院上海植物逆境研究中心以及美国普渡大学等单位的研究人员联合破译了植物激素脱落酸(ABA)通过调控植物叶片衰老,促使植物对水分养分进行源库的再分配,从而提高作物抗旱性的分子机制。该研究表明,ABA受体PYL9和经典的下游复合体PP2C/SnRK2共同传递ABA诱导的衰老信号,通过对下游转录因子ABFs和RAV1的磷酸化激活促进衰老相关基因的表达,从而最终导致“源”组织老叶衰老,同时增强了植物“库”组织的渗透调节能力。这一发现于2月2日发表在国际学术期刊PNAS上。 

  干旱是影响植物生存、生长和分布的最重要的非生物胁迫之一,目前的全球暖干化将加剧干旱胁迫。脱落酸ABA作为一种胁迫激素,是植物应对干旱胁迫的重要调控因子。在干旱胁迫下,ABA信号通过其受体PYL蛋白家族抑制PP2Cs蛋白的活性来调控ABA信号通路。但ABA如何帮助植物忍耐干旱的分子机制尚未得到充分的理解。 

  在拟南芥中,ABA受体PYL家族共有14个成员,除PYL13之外都能响应ABA。为了利用PYL成员间的差异更好地改良植物的抗逆性,朱健康研究组的科研人员利用不同的启动子控制14个PYL在拟南芥和水稻中的异位表达。研究发现胁迫响应的启动子pRD29A控制的PYL9过表达能最有效的提高植物在干旱条件下的存活率。实验表明在两周的干旱处理下,野生型水稻的存活率为10%,而各转基因水稻存活率在50%以上。分子机制解析表明,ABA受体PYL9和经典的下游复合体PP2C/SnRK2共同传递ABA诱导的衰老信号,通过ABFs和RAV1转录因子诱导衰老相关基因的表达,最终导致老叶衰老。 

  在ABA处理或者干旱胁迫下,pRD29A::PYLs转基因拟南芥和水稻的老叶快速黄化衰老。一直以来,ABA是否直接诱导叶片衰老有着很大争议。一种观点认为ABA是通过诱导乙烯的合成从而促进衰老和脱落,然而科研人员用乙烯信号不敏感突变体证明了ABA诱导的叶片衰老不依赖乙烯的合成。本研究通过对ABA信号诱导叶片衰老分子机制的解析,解决了长期的争议问题。 

  叶片的衰老过程是一个程序化细胞死亡的过程,存在着营养和水分向“库”组织的转移。研究发现pRD29A::PYL9转基因增强了植物“库”组织的渗透调节能力,而作为“源”组织的衰老叶片失去了渗透调节能力。通过这种调节,植物的水分和营养可以向“库”组织优先转运,促进植物的存活率和物种的延续。 

  该研究解析了ABA受体调控植物叶片衰老的分子机制,也加深了我们对于植物源库关系调控机理的认知。 

  该研究得到了国家基金委、中国科学院等经费的支持。(逆境中心)

(责任编辑:泉水)
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