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中国热科院生物所在谷氧还蛋白MeGRXC3调控木薯干旱胁迫响应的分子机制及其潜在应用价值方面取得重要进展

作者:阮孟斌 来源:科技处日期: 2022-09-07 点击:

木薯(Manihot esculenta Crantz)是一种重要的热带作物,是非洲等热带地区的主要粮食作物之一。其块根碳水化合物含量高达38%,且含有多种维生素,是全球10亿多人口的主要食物来源。木薯在种植过程中,其苗期和块根形成期与热带地区的旱季重叠,干旱对木薯的产量和品质有非常大的影响。因此,鉴定木薯重要的抗旱基因、提高栽培木薯对干旱的适应性,对我国“热带农业走出去”支持国家“一带一路”战略、维护世界粮食安全具有重要的意义。

活性氧平衡在植物应对干旱胁迫过程中起关键作用。谷氧还蛋白是植物体内维持活性氧平衡的重要组份,但其通过活性氧平衡调控植物干旱胁迫响应的分子机制仍有待探索。近日,中国热带农业科学院热带生物技术研究所功能基因研究组在权威杂志中科院一区TOP期刊《Plant Biotechnology Journal》在线发表了题为 “A CC-type glutaredoxin, MeGRXC3, associates with catalases and negatively regulates drought tolerance in cassava (Manihot esculenta Crantz)” 的研究论文,证实了CC类谷氧还蛋白MeGRXC3可以在转录和转录后水平调控过氧化氢酶的活性、影响过氧化氢在叶片表皮不同类型细胞中的分布,从而调控木薯对干旱胁迫的响应。研究结果有助于人们理解谷氧还蛋白通过活性氧平衡调控木薯干旱胁迫响应的复杂机制,同时为利用关键基因培育抗旱高产木薯新品种提供基因资源和科学依据。

该团队在100份栽培木薯种质中,通过目标区间重测序和抗旱指标的关联分析,确定了MeGRXC3与干旱胁迫下木薯叶片中的过氧化氢酶活性显著相关。通过转基因木薯的抗旱表型分析,发现MeGRXC3负调控干旱和脱落酸诱导的气孔关闭,从而影响转基因木薯的干旱耐受性。进一步的分析发现,MeGRXC3可以拮抗性调控过氧化氢在木薯叶片下表皮间隔细胞和保卫细胞中的分布。

图1 MeGRXC3转基因木薯抗旱表型分析

利用蛋白免疫共沉淀技术,该研究团队从木薯叶片中筛选到3个可能与MeGRXC3互作的过氧化氢酶蛋白,随后证实了MeGRXC3可以分别与过氧化氢酶MeCAT1、MeCAT2相互结合,并调控其过氧化氢酶活性。不仅如此,研究团队发现MeGRXC3可以通过与转录因子MeTGA2在细胞核中互作来调控多个胁迫相关转录因子基因的表达,并通过转录因子MeMYB63调控过氧化氢酶MeCAT7基因的表达,从而在转录水平上调控过氧化氢酶的活性。以上研究为解析活性氧平衡调控植物干旱胁迫响应的分子机制打开了新视角,同时展现了MeGRXC3基因在提升干旱环境下木薯块根产量方面的潜在应用价值。

图2 MeGRXC3调控过氧化氢酶响应干旱胁迫的作用模式

本研究是在中国热带农业科学院三亚研究院彭明研究员指导下完成的。生物所郭鑫博士、于晓玲副研究员为论文的共同第一作者,阮孟斌副研究员为本文的通讯作者。海南大学热带作物学院2020级硕士研究生徐子寅,生物所赵平娟副研员,邹良平助理研究员、李文彬副研究员,中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究员,海南大学耿梦婷博士也参与了此项研究。本研究得到了国家重点研发计划、海南省重大科技计划、中央级公益性科研院所基本科研业务费以及崖州湾种子实验室等项目的资助。

热带生物技术研究所功能基因研究团队主要以重要热带作物木薯和香蕉为研究对象,针对热带作物响应环境胁迫的分子机制展开研究,挖掘重要功能基因和非编码RNA,以推动热带作物生物育种技术的发展。团队成员均为“海南自由贸易港高层次人才”,包括热带农业青年英才“拔尖人才”1名。团队自组建以来共主持国家“973”计划项目1项,国家自然科学基金国际(地区)合作项目1项、国家自然科学基金面上项目1项、国家自然科学基金青年基金项目3项,参与国家重点研发计划、国家863计划、科技支撑计划、海南省重大研发计划等项目多项。近五年来,团队在木薯抗逆机制及重要功能基因挖掘方面取得重要进展,并在国际知名专业期刊Plant Biotechnology Journal, Plant, Cell & Environment, Theoretical and Applied Genetics, Journal of Experimental Botany, BMC Plant Biology, Frontiers in Plant Science等上发表相关论文10多篇,致力为推动热带作物基础研究的发展贡献力量。


相关论文全文链接:https://doi.org/10.1111/pbi.13920