【中國科學報】科學家解析作物籽粒灌漿和磷利用分子機制

文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2021-04-30  |  【打印】 【關閉

  

  4月29日,《自然—遗传学》在线发表了中國科學院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究组与上海科技大學生命科学学院、加州大学伯克利分校合作完成的研究论文,他们在作物籽粒灌浆、磷素利用和抗病性调控领域取得重大突破。该研究是何祖华研究组继2008年报道灌浆基因GIF1之后的又一项籽粒灌浆相关的重要研究工作。研究揭示了磷转运蛋白调控籽粒灌浆和磷的再分配过程的重要机制。

  近些年來,産量和肥料利用率一直是農業生産和育種的主要改良目標。在這項研究中,研究團隊首次鑒定了一個PHO1型Pi外運蛋白OsPHO1;2,該轉運體可以同時提高作物籽粒灌漿及磷利用率(PUE),爲培育低磷條件下高産作物提供了一個重要的目標基因。

  籽粒灌漿過程是水稻、玉米等禾本科作物産量的重要限速步驟,是指受精卵獲得碳水化合物和其他營養物質來合成澱粉,充實籽粒的過程籽粒灌漿的好壞直接影響作物産量和品質。該研究從自然變異的水稻種質資源中通過圖位克隆的方式發掘到了第二個調控籽粒灌漿的關鍵基因OsPHO1;2,該基因編碼PHO1類型的磷轉運蛋白。該基因的突變體Ospho1;2表現出典型的籽粒灌漿缺陷表型,與gif1突變類似。但不同的是OsPHO1;2負調控植物抗病性,而GIF1正調控植株抗病性,因此兩者在基礎代謝上的調控機理是不一樣的。

  已有研究表明,OsPHO1;2能夠介導苗期根—莖組織之間的磷轉運,然而沒有任何直接證據表明PHO1型蛋白是磷轉運蛋白。該研究運用膜片鉗系統首次證明OsPHO1;2具有磷轉運活性,發現該蛋白同時具有內流活性(influx)和外排活性(efflux),且以外排活性爲主。核磁共振波譜分析表明OsPHO1;2不參與細胞內胞質和液泡之間的無機磷(Pi)移動。在灌漿過程中,Ospho1;2突變體籽粒尤其是胚乳細胞中的Pi含量顯著累積,而總磷含量卻降低。說明OsPHO1;2作爲一個外運蛋白能夠將將Pi從胚乳細胞中釋放出來,其突變導致Pi在種子中過量累積,同時破壞了籽粒中母體組織和子體組織間Pi的交換,幹擾了有機磷的合成過程。

  籽粒灌浆过程中Pi的稳态至关重要,Pi直接参与淀粉的合成,合成淀粉所需的G-1-P/G-6-P等都需要Pi作为底物,而进一步反应脱下来的Pi需要及时运出胚乳转化为植酸储存。而突变体籽粒中累积的Pi严重抑制了淀粉合成相关酶的酶活和表达,特别是淀粉合成过程重要的限速酶AGPase,该酶催化淀粉合成的第一步, 其功能降低导致籽粒灌浆缺陷。过表达AGPase亚基能够部分恢复Ospho1;2突变体籽粒灌浆缺陷表型。因此,OsPHO1;2通过调节胚乳内Pi含量来促进AGPase等淀粉合成相关酶的活性,从而维持籽粒灌浆。

  同時,研究人員還發現玉米同源基因ZmPHO1;2也能夠調控玉米籽粒灌漿和磷的再分配過程,表明PHO1家族蛋白介導的籽粒灌漿調控過程在谷類作物中高度保守。更重要的是,研究發現在水稻中過表達OsPHO1;2基因能夠適度降低籽粒中的無機磷和總磷含量,促進AGPase酶活增加並增加單株産量,特別是在低磷條件下,過表達株系始終維持高産性狀,證明該策略可以提高磷利用率。該研究首次將磷轉運、籽粒灌漿和磷利用效率三者緊密結合在一起,對生産中面臨的籽粒充實度和品質改良有重要育種指導意義,也爲提高磷肥利用效率提供了有效的育種靶標。

  该项研究工作以上海科技大學为第一完成单位,得到了国家重点研发计划、中科院先导项目、植物分子遗传国家重点实验室等项目的资助。

  相關論文信息:https://dx.doi.org/10.1038/s41588-021-00855-6

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