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文献解读| Nat.Genet 中科院揭示作物籽粒灌浆及磷素利用分子机制

发布日期:2021-06-01 浏览次数:137

      2021年4月29日,国际著名学术期刊Nature Genetics在线发表了中国科学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学生命科学学院、加州大学伯克利分校合作完成的题为“A plasma membrane transporter coordinates phosphate reallocation and grain filling in cereals”的研究论文,该研究在作物籽粒灌浆、磷素利用领域取得重大突破。




全文解析


      我们知道,籽粒灌浆过程是水稻、玉米等禾本科作物产量的重要限速步骤,籽粒灌浆的好坏直接影响作物产量和品质。该研究从自然变异的水稻种质资源中通过图位克隆的方式发掘到了调控籽粒灌浆的关键基因OsPHO1;2,该基因编码PHO1类型的磷转运蛋白。该基因的突变体Ospho1;2表现出典型的籽粒灌浆缺陷表型(图1)。   

     


      随后团队通过GUS染色、免疫荧光和亚细胞定位等实验,证明该基因为具有组织特异性表达的质膜蛋白,并运用膜片钳系统首次证明OsPHO1;2具有磷转运活性,同时具有内流和外排活性,且以外排活性为主(图2)。团队还发现,在灌浆过程中,Ospho1;2突变体籽粒尤其是胚乳细胞中Pi含量显著累积,而总磷含量却降低。说明OsPHO1;2作为一个外运蛋白能够将Pi从胚乳细胞中释放出来,其突变导致Pi在种子中过量累积,干扰了有机磷的合成过程。



      下一步研究人员对两个近等基因系进行了转录组测序,发现许多参与淀粉和糖代谢的基因被富集,通过Q-PCR验证转录组的结果,发现这些基因大多数在突变体中下调表达,其中包括重要的淀粉酶AGPase,该酶负责催化淀粉合成的第一步, 其功能降低会导致籽粒灌浆缺陷,而突变体籽粒中累积的Pi严重抑制了AGPase的酶活。

      为了验证AGPase活性降低与谷物灌浆缺陷之间的因果关系,研究人员在敲除株系的背景下,过表达AGPase亚基,发现其能部分恢复Ospho1;2突变体籽粒灌浆缺陷表型(图3)。因此团队推测,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。



      研究还发现玉米同源基因ZmPHO1;2也能够调控玉米籽粒灌浆和磷的再分配过程,表明PHO1家族蛋白介导的籽粒灌浆调控过程在谷类作物中高度保守(图4)。更重要的是,在水稻中过表达OsPHO1;2基因能够适度降低籽粒中的无机磷和总磷含量,促进AGPase酶活增加并增加单株产量,特别是在低磷条件下,过表达株系始终维持高产性状(图4),证明该策略可以提高磷利用率(PUE)。


 

      该研究首次将磷转运、籽粒灌浆和磷利用效率三者紧密结合在一起,对生产中面临的籽粒充实度和品质改良有重要育种指导意义,也为提高磷肥利用效率提供了有效的育种靶标。

     

      研究路线梳理  


      该论文作为一篇高水平文章,其研究路线也非常经典。首先从自然变异的水稻种质资源中通过图位克隆的方式发掘到了目标基因OsPHO1;2,并通过GUS染色、蛋白免疫印迹、免疫荧光以及亚细胞定位等验证基因表达定位;运用膜片钳系统、核磁共振波谱以及光谱仪成像系统验证OsPHO1;2的磷转运活性。并利用转录组测序联合Q-PCR验证找到了谷物灌浆的关键基因AGPase,通过敲除背景外加过表达AGPase的方法揭示了OsPHO1;2维持籽粒灌浆的机制。



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