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水稻水通道蛋白协调植物产量与抗逆平衡

发布时间:2021-07-20 14:18 作者:admin 来源:未知 点击: 字号:

水通道蛋白 (aquaporins)作为一种功能性跨膜通道蛋白,能依赖水势高效介导水分跨膜转运,在快速维持细胞渗透平衡中发挥重要作用。水通道蛋白活性的调控是质膜通透性调节的一种主要方式,其调控机理的研究,已成为当前植物科学领域中的研究热点之一。目前研究表明,水通道蛋白在改善作物生长和防御性状方面具有巨大潜力。

2021年7月17日,南京农业大学董汉松、张美祥,山东农业大学丁新华和南京大学杨永华合作The Plant  Journal 在线发表题为Functional modulation of an aquaporin to intensify photosynthesis and abrogate bacterial virulence in rice的研究论文,该研究揭示了水稻水通道蛋白OsPIP1;3可使光合作用增强29-30%,细菌性病害减少58-75%,谷粒产量提高11% - 34%。

在植物中,水通道蛋白 (aquaporins,AQPs分为几个蛋白家族,包括由PIP1和PIP2亚家族组成的质膜内在蛋白(PIP)家族。PIPs和其他AQPs的主要功能是促进基质通过质膜和细胞器膜转运。令人兴奋的是,最近的研究表明PIPs/AQPs与动植物的感染和免疫有关。一个很好的例子是OsPIP1;3和Hpa1在水稻植株被水稻黄单胞菌感染时的功能关联。同时,前期研究发现外源表达OsPIP1;3增加了转基因烟草植株的净光合速率和对CO2的叶肉导度。因此,作者推测PIPs是一种具有改善作物生长和防御特性潜力的基因作者前期研究已经通过在水稻品种Nipponbare中创建了OsPIP1;3-敲除(KO)和OsPIP1;3-过表达(OE)转基因株系,研究了OsPIP1;3-KO和-OE水稻系与Xoo毒力的关系,但没有明确研究对植物生长发育的影响。

作者研究了OsPIP1;3过表达和敲除水稻,以验证OsPIP1;3的功能调节将改善水稻的生长和防御。这一假设已被三条证据证实:

首先,GEM-CFAs证实OsPIP1;3为CO2从环境运输到水稻细胞的生理相关促进物。该功能使OsPIP1;3成为叶片光合作用的重要贡献者贡献了大约30%的光合作用,从而促进营养生长和籽粒发育。

其次,OsPIP1;3的过表达和敲除对水稻产量和对细菌的响应有相反的影响。OsPIP1;3的过表达导致了CO2运输、叶片光合作用、植物生物量和粒重增加超过21%,说明OsPIP1;3的转基因水稻在改善农业重要作物性状方面具有巨大潜力。而OsPIP1;3过表达也促进III型细菌效应因子PthXo1和TALi转位到水稻细胞中,分别诱导叶枯病和条斑病,一旦OsPIP1过表达,就会促进细菌毒力,加重叶枯病和条斑病的严重程度。与此相反,OsPIP1;3基因敲除对细菌毒力有较好的抑制作用,但同时导致CO2转运、叶片光合作用、植物生物量和粒重下降。

第三,进一步分析发现OsPIP1;3与Hpa1之间的分子识别触发了OsPIP1;3从CO2转运到PthXo1转运的功能开关,促进了细菌的毒力,减弱了水稻的光合作用。

在过去几年实施的不同水稻品种中的小规模大田试验中,这些有利效应结合起来可使光合作用增强29-30%,细菌性病害减少58-75%,籽粒产量提高11% - 34%。


▲ 干扰OsPIP1;3-Hpa1相互作用的影响主要包括促进CO2运输和光合作用,抑制效应子转位和细菌毒力

综上,该研究结果表明,通过调节单一水通道蛋白的生理和病理功能来打破生长-防御的拮抗,可以协调作物的产量和免疫能力。

 
 

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