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分子植物卓越中心揭示水稻糖基轉移酶影響代謝流進而調控粒型與抗逆的新機制

2020-05-28 分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所
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  5月26日,國際學術期刊《自然-通訊》(Nature Communications)在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心林鴻宣研究組的研究成果,題為UDP-glucosyltransferase regulates grain size and abiotic stress tolerance associated with metabolic flux redirection in rice。該研究工作報道了水稻糖基轉移酶影響代謝流重新定向,進而同時調控水稻籽粒大小與抗逆性的新機制。

  粒型是影響水稻產量的主要因素之一,同時水稻產量經常遭受干旱、高鹽和高溫等非生物脅迫的影響,如何提高水稻產量的同時增強水稻抗逆性是對科研人員和育種工作者的挑戰課題。植物需不斷調整體內代謝流以適應不同發育時期和生長環境,但在作物中對此了解甚少。

  林鴻宣研究組通過圖位克隆的方法定位克隆到一個同時調控水稻粒型與抗逆性的QTL GSA1 (Grain Size and Abiotic stress tolerance 1)。GSA1是粒型與抗逆性的正向調控因子,過表達GSA1增加水稻籽粒大小和粒重,同時提高水稻對高鹽、干旱及高溫的抗性。核苷酸多態性分析顯示,GSA1在非洲野生稻馴化為非洲栽培稻以及亞洲野生稻馴化為粳稻的過程中受到人工選擇。GSA1編碼一個水稻糖基轉移酶UGT83A1,體外實驗證實GSA1具有廣譜的糖基轉移酶活性,以尿苷二磷酸(Uridine diphosphate,UDP)為糖基供體,以山奈酚、柚皮素及槲皮素等黃酮類代謝物為糖基轉移受體,調控水稻體內黃酮糖苷譜,間接影響黃酮介導的生長素極性運輸及生長素相關基因表達量,最終通過影響細胞分裂和細胞增殖而調控水稻粒型。同時GSA1也可以將松柏醇、對香豆醇及芥子醇等木質素單體作為糖基轉移受體,進而調控木質素含量,這可能也是調控水稻粒型的原因。GSA1CG14(非洲稻位點)中位于Plant Secondary Product Glycosyltransferase (PSPG)保守結構域內的氨基酸變異A349T導致GSA1CG14結合UDP的能力比GSA1WYJ(亞洲稻位點)明顯下降,糖基轉移酶活性顯著降低,而位于非保守域的氨基酸變異A246V則對底物結合及糖基轉移酶活性無影響。木質素合成途徑以及黃酮代謝途徑是苯丙烷通路的重要分支。進一步研究表明,逆境脅迫下GSA1參與代謝流從木質素合成途徑重新定向于黃酮糖苷合成途徑,木質素合成途徑下調而黃酮糖苷包括花青素合成相關通路上調,導致水稻抗逆性的增強。過量表達GSA1WYJ顯著增加逆境脅迫下黃酮糖苷及花青素的含量,引起水稻抗逆性增強。而敲除GSA1造成逆境下代謝流重新定向的紊亂,黃酮糖苷合成受阻,水稻抗逆性減弱。

  該研究揭示了糖基轉移酶通過調控代謝流重新定向進而同時調控水稻粒型與抗逆性的新機制,為培育高產高抗作物新品種提供了有價值的基因資源。

  林鴻宣研究組博士后董乃乾為論文第一作者,單軍祥、葉汪薇等對該工作做出了貢獻,該研究得到分子植物卓越中心研究員王勇、博士孫雨偉的大力幫助。該工作獲得科技部、中科院、國家自然科學基金的資助。

  論文鏈接

圖1 GSA1正向調控水稻粒型與抗逆性

圖2 GSA1調控代謝流重定向進而調控粒型與抗逆的模式圖

打印 責任編輯:葉瑞優

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