“转基因”大幅度提升玉米抗旱性

  近年全球气候变化和来一波又一波的高温热浪使得农作物生长面临严重的威胁。这意味着了解植物如何应对高温热浪对于我们的环境保护和食物供应具有至关重要的作用。

日前,从中国农业科学院作物科学研究所获悉,由该所万建民教授领衔的作物功能基因组学研究创新团队最新研究发现,SnRK2-APC/CTE调控模块通过介导植物激素赤霉素和脱落酸信号通路的拮抗作用,从而调控水稻等植物的生长发育。相关研究成果于2015年8月14日发表在国际知名期刊《自然通讯(Nature
Communications)》杂志上。

(原标题:中美科学家发现大幅提高水稻抗旱性蛋白)

中美研究人员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。

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据介绍,在SnRK2-APC/CTE调控模块中,SnRK2是指蔗糖非酵解型蛋白激酶2家族成员,可被NaCl及ABA等渗透胁迫激活,调节一系列相关基因的表达,从而提高植物对逆境的抵抗能力;APC/C是指细胞周期后期促进复合物,为多个亚基组成的E3泛素连接酶,与细胞的有丝分裂和减数分裂有着密切的关系;TE是指水稻多分蘖突变体Tiller
Enhancer,为水稻分蘖的关键调控因子。

中美研究人员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。

  “抗热”大战,PIF4功不可没

永利皇宫,众所周知,种子的休眠和萌发是多种植物激素共同调节的结果。赤霉素是一种重要的促生长植物激素,可以促进种子萌发、幼苗生长、开花和展叶。而脱落酸是一种应激反应植物激素,它通过抑制种子萌芽及幼苗生长来适应不利的环境条件。前人研究发现,GA和ABA对调控植物的许多发育过程及植物对生物或非生物胁迫的响应中发挥相反的作用,即拮抗作用。ABA通过拮抗GA依赖的DELLA蛋白(赤霉素信号途径中的一类对植物生长起抑制作用的重要蛋白质)的降解过程来抑制GA信号途径,但GA如何抑制ABA信号途径仍然未知。

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。

  耐热性是许多植物,特别是农作物中特别重要的性状,对于许多农作物,即使平均温度的微小增加也能明显影响它们的生长和发育。以芥菜为例,升高温度会导致植物的茎生长得更长,叶子更薄。此外,研究显示植物在白天和夜间对热度的应对和调节系统是不同的。

在之前的一项研究中,万建民研究团队发现水稻多分蘖突变体TE基因编码了APC/CTE
E3泛素连接酶复合体的激活子,TE通过介导水稻株型和分蘖数的主控因子MOC1的降解,从而抑制水稻分蘖。另外,该团队也发现缺失了TE基因的水稻突变体表现出矮化、剑叶和穗扭曲等表型,暗示TE可能参与调控水稻其它发育进程。

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。

  研究发现,一种被称为“植物光素相互作用因子4号”(PIF4)的蛋白质对于协调植物对升温的应激性是至关重要,它主要是通过激活基因来帮助植物处理热刺激。但它似乎只在白天才能具有这一功能。那么究竟是什么把PIF4的活动限制在了白天呢?

在本研究中,研究人员发现,缺失了TE基因的水稻突变体对ABA过敏而对GA敏感性下降。TE与ABA受体蛋白OsPYL/RCARs(非生物胁迫抗性改良的优异候选基因,调控依赖ABA的相关基因的表达)发生物理互作,促进后者的降解。遗传分析结果显示,OsPYL/RCARs位于TE下游。深入分析发现,ABA通过激活磷酸化SnRK2使TE磷酸化来抑制APC/CTE活性,磷酸化的TE和OsPYL/RCARs之间的互作减弱,进而稳定OsPYL/RCARs蛋白;与之相反,GA可以降低SnRK2s活性,进而促进APC/CTE介导的OsPYL/RCARs降解。GA和ABA在此过程中发挥着截然相反的作用,这些结果暗示SnRK2-APC/CTE调控模块是植物中GA和ABA拮抗作用的一个重要调控节点。

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。

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此项研究为进一步阐明植物GA和ABA互作过程奠定了基础,对利用植物激素及其相互作用调控种子休眠和萌发过程及植物抗旱具有重要的理论价值和实践意义。

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转基因水稻种植

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。

  原来TOC1才是大BOSS

该研究得到了国家973、国家转基因专项、863项目、国家自然科学基金和江苏省333项目的资助。中国农业科学院作物科学研究所的林启冰博士和吴赴清博士为论文共同第一作者,万建民研究员为论文通讯作者。

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。

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。

  事实上,PIF4又受另一种称为CAB表达式1(TOC1)的蛋白质调节,这种蛋白质属于生物学昼夜节律钟蛋白的一部分,能够在一天结束时进行累积。TOC1与PIF4在夜间结合并抑制其活性。黎明时分TOC1便会消失,这使得PIF4能够在白天对温度进行反应。

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。

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。

  对于农作物而言,热浪期通常发生在中午到下午,这段时间最为威胁农作物的生存。而通过将TOC1的调节之后,就大大增加了作物在热浪期间的生存机会。但是,到现在为止,昼夜节律钟蛋白是如何帮助植物在热浪下生存的仍然未知。

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。

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。

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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。

  科学研发,农作物会越加“坚强”

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。

  目前日本已经研发出一种抗旱水稻,该种水稻有着独特的“深根”基因,能够在热浪来袭时吸收更多深地土层中的水分,从而度过热浪期。数据显示,该水稻能够在中等旱情时期保证不减产,严重干旱时期保产30%左右。

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  在我国,则从抗旱名将仙人掌身上入手,研究人员从仙人掌中提取出来“抗旱激素”——脱落酸,并研制出能够具有抗旱功能的人造脱落酸。在农作物遭受高温热浪时可以在短期内持续对农作物喷施人造脱落酸来提高其存活率。

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  从2016年夏季全球出现高温热浪天气来看,农作物可以说饱经灼烧,粮食果蔬产量也有所下降。相信在了解了农作物的自身的高温热浪机制之后,科学家们会根据这一机制进行抗旱作物的进一步研究,以解决日渐严重的粮食问题。

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