我科學(xué)家破譯提高作物抗旱性的分子機(jī)制

 

    人民網(wǎng)上海2月2日電 （林濱霞 姜泓冰） 中國科學(xué)院上海植物逆境生物學(xué)研究中心以及美國普渡大學(xué)等單位的研究人員聯(lián)合破譯了植物激素脫落酸（ABA）通過調(diào)控植物葉片衰老，促使植物重新分配體內(nèi)的水分養(yǎng)分，從而提高作物抗旱性的分子機(jī)制。

 

    在植物中，負(fù)責(zé)制造養(yǎng)料，并向其他器官提供營養(yǎng)物質(zhì)的部位或器官如葉片被稱為“源”，而如幼嫩的葉片、莖、根以及花、果、種子等消耗養(yǎng)料或儲藏養(yǎng)料的器官則被稱為“庫”。該研究表明，ABA受體PYL9和經(jīng)典的下游復(fù)合體PP2C/SnRK2共同傳遞ABA誘導(dǎo)的衰老信號，通過對下游轉(zhuǎn)錄因子ABFs和RAV1的磷酸化激活促進(jìn)衰老相關(guān)基因的表達(dá)，從而最終導(dǎo)致“源”組織中已經(jīng)衰老的葉片加速枯萎，同時增強(qiáng)了植物“庫”組織的滲透調(diào)節(jié)能力，確保植物在干旱條件下體內(nèi)急需消耗養(yǎng)料的部分優(yōu)先“解渴”。這一發(fā)現(xiàn)于今日凌晨發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊PNAS上。

 

    干旱是影響植物生存、生長和分布的最重要的非生物脅迫之一，目前的全球暖干化將加劇干旱脅迫。脫落酸ABA作為一種脅迫激素，是植物應(yīng)對干旱脅迫的重要調(diào)控因子。在干旱脅迫下，ABA信號通過其受體PYL蛋白家族抑制PP2Cs蛋白的活性來調(diào)控ABA信號通路。但ABA如何幫助植物忍耐干旱的分子機(jī)制尚未得到充分的理解。

 

    在擬南芥中，ABA受體PYL家族共有14個成員，除PYL13之外都能響應(yīng)ABA。為了利用PYL成員間的差異更好地改良植物的抗逆性，朱健康研究組的科研人員對這14個成員一一進(jìn)行“篩選”，最終發(fā)現(xiàn)脅迫響應(yīng)的啟動子pRD29A控制的PYL9過表達(dá)能最有效地提高植物在干旱條件下的存活率。實驗表明在兩周的干旱處理下，野生型水稻的存活率為10%，而PYL9過表達(dá)的水稻存活率在50%以上。分子機(jī)制解析表明，ABA受體PYL9和經(jīng)典的下游復(fù)合體PP2C/SnRK2共同傳遞ABA誘導(dǎo)的衰老信號，通過ABFs和RAV1轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)衰老相關(guān)基因的表達(dá)，最終導(dǎo)致衰老的葉片加速黃化枯萎。

 

    葉片的衰老過程是一個程序化細(xì)胞死亡的過程，伴隨著葉片的衰老，植物中的營養(yǎng)和水分會向更需要養(yǎng)分的“庫”組織的轉(zhuǎn)移。pRD29A::PYL9轉(zhuǎn)基因增強(qiáng)了植物“庫”組織的滲透調(diào)節(jié)能力，而作為“源”組織的衰老葉片失去了滲透調(diào)節(jié)能力。通過這種調(diào)節(jié)，植物的水分和營養(yǎng)可以向“庫”組織優(yōu)先轉(zhuǎn)運，提高植物的存活率，促進(jìn)物種的延續(xù)。

 

    一直以來，ABA是否直接誘導(dǎo)葉片衰老有著很大爭議。一種觀點認(rèn)為ABA是通過誘導(dǎo)乙烯的合成從而促進(jìn)衰老和脫落，然而科研人員用乙烯信號不敏感突變體證明了ABA誘導(dǎo)的葉片衰老不依賴乙烯的合成。本研究通過對ABA信號誘導(dǎo)葉片衰老分子機(jī)制的解析，解決了長期的爭議問題。

 

    該研究得到了國家基金委、中科院等經(jīng)費的支持。