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中国农业大学农学院小麦研究中心研究成果揭示转运蛋白TaNHX2调控小麦抗旱性的新机制

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-05-21  来源:中国农业大学  浏览次数:59
核心提示:该研究揭示了定位于液泡膜的K+/H+转运蛋白TaNHX2调控小麦抗旱性的新机制,系统解析了TaNHX2蛋白通过与谷氨酸脱羧酶TaGAD1互作,解除TaGAD1自我抑制,促进GABA(γ-氨基丁酸)积累,从而灵活调控气孔运动提高抗旱性的分子机制,为小麦抗旱性遗传改良提供了新思路和重要基因资源。
  中国农大新闻网讯 4月12日,《科学进展》(Science Advances) 在线发表了中国农业大学农学院小麦研究中心题为《钾离子转运蛋白TaNHX2与谷氨酸脱羧酶TaGAD1相互作用:通过调节气孔开度增强小麦抗旱性》(The potassium transporter TaNHX2 interacts with TaGAD1 to promote drought tolerance via modulating stomatal aperture in wheat)的研究论文,该研究揭示了定位于液泡膜的K+/H+转运蛋白TaNHX2调控小麦抗旱性的新机制,系统解析了TaNHX2蛋白通过与谷氨酸脱羧酶TaGAD1互作,解除TaGAD1自我抑制,促进GABA(γ-氨基丁酸)积累,从而灵活调控气孔运动提高抗旱性的分子机制,为小麦抗旱性遗传改良提供了新思路和重要基因资源。
 
  小麦是世界范围内主要粮食作物之一,也是我国重要的口粮作物。小麦的持续增产和稳产是确保国家“口粮绝对安全”的重大战略需求,而干旱是影响小麦生产的主要非生物逆境之一,严重制约着小麦产量。因此,挖掘和鉴定小麦抗旱关键基因,深入揭示其调控抗旱性的分子基础和遗传网络,可进一步拓展和深化对小麦抗旱应答及遗传调控机理的认识,对抗旱高产小麦新品种设计和培育也具有重要指导作用和实践应用价值。
 
  研究者鉴定到一个定位于小麦细胞内液泡膜上的K+/H+转运蛋白TaNHX2,其受旱胁迫诱导上调表达。通过对敲除以及超表达材料抗旱性表型鉴定,证实TaNHX2能够显著提高小麦抗旱性,进一步发现其对小麦根系生长发育无显著影响,主要通过影响旱胁迫下叶片失水率参与小麦抗旱性调控。气孔作为植物控制水分散失的“守门员”,在抗旱性中扮演着至关重要的角色。因此,作者对不同转基因株系在旱胁迫下的气孔调控表现展开研究,发现TaNHX2通过干旱胁迫下积极调控气孔的关闭来减少水分散失,进而提高小麦水分利用效率,增强抗旱性。
 
  作者进一步筛选到一个与TaNHX2互作且定位于胞质的蛋白TaGAD1,该基因编码谷氨酸脱羧酶,是GABA合成的关键酶。GABA是一种不参与蛋白质合成的氨基酸小分子,在动物中,GABA被证实是重要的传递神经信号的分子,它能通过其受体使神经细胞发生极化。有研究表明,GABA参与植物多种逆境响应,在植物气孔调节中也发挥着重要作用,然而目前对其调控机制还不清楚。作者对TaNHX2不同转基因株系旱胁迫下的GABA含量及GAD酶活进行测定,结果显示,超表达株系的GAD酶活及GABA积累量更高,敲除株系反之。此外,作者发现外源喷施GABA可以有效恢复tanhx2突变体在旱胁迫下的气孔缺陷表型提高抗旱性。为了进一步解析分子机制,作者通过分段互作及酶活测定实验揭示了TaNHX2通过其朝向胞质侧的末端结构域与谷氨酸脱羧酶TaGAD1自抑制结构域互作,解除TaGAD1活性抑制,进而促进GABA的积累,从而灵活调控气孔运动抵御旱胁迫的分子机制。此外,通过对TaGAD1敲除株系表型鉴定,同样证实了其在小麦抗旱性中发挥积极作用。尤其是,大田抗旱性试验发现TaNHX2能够有效提升小麦在旱胁迫下的产量,且对其他重要农艺性状没有负效应,表明TaNHX2-TaGAD1调控的GABA合成途径在小麦协同调控生长发育和抵御水分胁迫过程中起了重要作用,为小麦抗逆高产协同改良提供了关键基因资源。
 
  该研究解析了TaNHX2-TaGAD1调控小麦抗旱性的分子模块,首次揭示了TaNHX2蛋白除离子转运功能之外,通过与谷氨酸脱羧酶互作并调控其活性,进而通过调节GABA合成提高小麦抗旱性的新机制,拓展和深化了对小麦抗旱应答及遗传调控机理的认识,同时发掘了GABA在作物抗旱遗传改良和育种中的应用潜力。研究结果为深入理解小麦抗旱高产性状协同改良的分子机制提供了重要线索,为抗旱稳产小麦新品种设计和培育提供了新的理论基础和技术思路。
 
  中国农业大学农学院小麦研究中心博士研究生李金鹏,已毕业博士生刘星贝和博士研究生苌淑敏为论文共同第一作者,小麦研究中心胡兆荣教授与河南大学龙雨教授为该论文的共同通讯作者。小麦研究中心孙其信院士、倪中福教授、彭惠茹教授、姚颖垠教授、辛明明教授、郭伟龙副教授对该工作进行了指导和帮助。感谢小麦研究中心博士研究生褚蔚、林靖辰以及河南大学龙雨课题组的研究生周慧、胡卓冉、研究助理张满仓对本研究的协助和支持。感谢天津农学院谢晓东研究员和中国农业大学园艺学院何俊娜副教授提供的技术支持与帮助。该工作得到了国家重点研发计划(2022YFF1001604)、国家自然科学基金(32130078,32072001)、分子设计育种前沿科学中心(2023TC200)和中国农业大学“2115人才培育计划”的资助。
 
  原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk4027
 
 

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