近日，中國水稻研究所水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張健團(tuán)隊(duì)與胡培松院士團(tuán)隊(duì)合作，在《分子植物（Molecular Plant）》在線發(fā)表文章，首次揭示了“植物胰島素”6-磷酸-海藻糖調(diào)控水稻碳源分配與籽粒產(chǎn)量的機(jī)制，為作物高產(chǎn)遺傳改良提供了新思路。
糖是能量和細(xì)胞碳骨架的供體，也是調(diào)控生長發(fā)育的重要信號分子。近年來，植物中的6-磷酸-海藻糖（Tre6P）被發(fā)現(xiàn)具有類似胰島素的功能，可通過促進(jìn)源-庫轉(zhuǎn)運(yùn)等形式反饋調(diào)節(jié)糖水平，維持糖穩(wěn)態(tài)。6-磷酸-海藻糖廣泛參與調(diào)控植物的生長發(fā)育與逆境響應(yīng)等生理過程，并表現(xiàn)出極大的改良作物產(chǎn)量的潛力。在玉米中異源表達(dá)水稻6-磷酸-海藻糖磷酸酶基因 OsTPP1 可直接提升9%-49%的產(chǎn)量。直接噴施可吸收的6-磷酸-海藻糖前體亦可使小麥增產(chǎn)20%。然而，6-磷酸-海藻糖水平如何響應(yīng)高度動(dòng)態(tài)的糖水平以維持糖穩(wěn)態(tài)，如何與其它能量調(diào)控因子互作協(xié)調(diào)碳源分配等核心科學(xué)問題仍有待闡明。
研究團(tuán)隊(duì)在水稻中鑒定了一個(gè)糖誘導(dǎo)表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子OsNAC23。OsNAC23可直接抑制6-磷酸-海藻糖中磷酸酶基因 OsTPP1 的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)6-磷酸-海藻糖的累積。與野生型相比， OsNAC23 超表達(dá)植株的源器官中6-磷酸-海藻糖含量上升，促進(jìn)光合速率、碳源的源-庫轉(zhuǎn)運(yùn)以及穗、種子等庫器官發(fā)育，大幅提升植株單株產(chǎn)量。進(jìn)一步研究顯示，水稻能量饑餓感受器SnRK1a與OsNAC23相互拮抗。SnRK1a磷酸化OsNAC23并促進(jìn)其蛋白降解，而OsNAC23則間接抑制 SnRK1a 的轉(zhuǎn)錄。OsNAC23-Tre6P-SnRK1a三者形成一條正向調(diào)節(jié)回路來維持水稻碳源分配和籽粒產(chǎn)量。
該研究團(tuán)隊(duì)在主栽品種南粳46等三個(gè)背景中過量表達(dá) OsNAC23 基因。多年多地的區(qū)試結(jié)果表明，相較于野生型，其在生長后期表現(xiàn)出典型的青桿黃熟的高產(chǎn)性狀，有效穗數(shù)和千粒重顯著增加，產(chǎn)量提升8.7%-16.1%，為利用6-磷酸-海藻糖相關(guān)基因改良作物產(chǎn)量提供了優(yōu)異的基因資源和應(yīng)用示范。
該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。
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