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    2. Plant Cell | 秦峰團隊揭示干旱脅迫導致玉米ASI增大的新機制
      發布日期:2021-03-22 瀏覽次數:  信息來源:生物學院

        

        在世界范圍內,干旱是影響玉米產量的主要自然災害。玉米作為雌雄同株異花的植物,雄性和雌性花序的協同發育對籽粒的形成起著決定性的作用,進而決定植株的產量。當玉米雌雄穗分化時遭遇干旱脅迫,其散粉(雄穗成熟)和吐絲(雌穗成熟)時期會產生明顯的時間間隔(Anthesis and Silking Interval, ASI),從而造成雌花的授粉失敗,導致嚴重的產量損失。但至今為止,人們對于干旱脅迫導致ASI增大的機制幾乎一無所知。


        3月17日,中國農業大學秦峰教授團隊在The Plant Cell雜志上在線發表題為Manipulating ZmEXPA4 expression ameliorates the drought-induced prolonged anthesis and silking interval in maize的研究論文,揭示了干旱脅迫導致玉米ASI增大的新機制。



        干旱脅迫下,對玉米雌雄穗發育的精細比較發現,相較與雄穗,干旱脅迫對雌穗發育影響更為明顯。主要表現為,干旱脅迫嚴重推遲了雌穗的發育、減緩花絲生長的速度,因而導致ASI的增大。與以往研究不同,本研究對正常生長及干旱脅迫下發育至相同生長時期的雌穗的轉錄組分析發現,雖然干旱脅迫推遲了雌穗的生長發育進程,但是對雌穗花器官分化和建成相關基因影響較小。然而,在花絲伸長期,干旱嚴重抑制了生長素相關基因(如:SAUR)、光合作用相關基因、細胞壁前體合成酶相關基因和大量細胞伸長生長相關基因(如Expansin、Aquaporin、XET等)的表達。且這些基因的下調表達可能最終導致了花絲伸長速率。


        在228份玉米自然變異群體中,對上述細胞伸長生長相關基因的候選基因關聯分析顯示,一個擴張蛋白基因ZmEXPA4的脅迫下的下調量與ASI之間存在顯著負關聯。利用在花絲伸長期且干旱誘導型啟動驅動ZmEXPA4的表達,可在不影響株高等性狀的前提下顯著降低干旱脅迫誘導產生的ASI。


        該研究對干旱脅迫導致玉米ASI增大的分子機制提供了新的見解,并對改良ASI性狀提出了新的策略。

        (A) 干旱脅迫使花絲伸長速率降低的分子機理的模型。(B) 干旱誘導型啟動子(566pro)對ZmEXPA4的表達進行調控。(C-D) 干旱脅迫下,566pro的轉基因植株不影響株高但顯著的降低ASI。(E) 566pro的轉基因植株中ZmEXPA4-Myc蛋白表達量。(F) 干旱脅迫下,566pro轉基因植株與對照的散粉吐絲情況。放大的圖像顯示了,在相同散粉情況下,對照植株上雌穗不可見而566pro轉基因植物上出現了雌穗和花絲。



        值得一提的是,The Plant Cell雜志同期在IN BRIFT 欄目還將以“Expansin helps maize to get the right timing: inducible accumulation of α-expansin4 mitigates drought effects on grain yield”為題,對該研究成果進行重點推介。文中特別指出“利用自然多樣性和基因工程技術,是在全球氣候變化情況下獲得能夠維持作物高產潛力的新品種的替代策略”。


        中國科學院植物研究所、中國農業大學生物學院客座博士研究生劉博欣為文章的第一作者,中國農業大學生物學院秦峰教授為論文的通訊作者。

      全文鏈接:


      https://doi.org/10.1093/plcell/koab083



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