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重大进展!陕西科研人员发现植物抗旱新途径,成果在国际期刊发表

近日,Journal of Biological Chemistry在线发表了"Raffinose synthase enhances drought tolerance through raffinose synthesis or galactinol hydrolysis in maize and Arabidopsis plants"研究论文。西北农林科技大学2017届毕业生李涛博士和西北农林科技大学张玉民博士生为论文共同第一作者。西北农林科技大学赵天永教授和中国农科院作物所王国英教授为论文共同通讯作者,澳大利亚Newcastle大学Yong-Ling Ruan教授和美国University of Kentucky大学Bruce Downie副教授参与了该项研究工作。

干旱是制约作物产量的重要限制因素。研究人员对植物响应干旱胁迫的基因做了大量的研究工作,但众多的研究者聚焦于转录因子(TF)基因的表达调控研究。由于TF调控众多靶基因的表达,虽然通过调控TF基因能够提高植物的抗旱性,但在正常生长条件下,过量表达TF基因导致植株生长矮小。到目前为止,植物TF基因仍未能应用于抗旱转基因作物的商业生产。棉子糖代谢在植物抗逆中发挥重要作用。玉米肌醇半乳糖苷合成酶(Galactinol Synthase; GOLS)和棉子糖合成酶(Raffinose Synthase; RAFS)是棉子糖合成的关键酶。研究人员对GOLS的功能和表达调控进行了系统的研究,获得了许多研究成果,发现通过调控GOLS基因可以提高植物抗逆能力而且对植株生长发育没有任何负作用。而对于负责植物棉子糖合成的第二个关键酶基因RAFS的功能研究长期以来却一直没有进展。

研究人员通过研究玉米ZmRAFS基因突变体,以及在拟南芥中过量表达该基因,发现过量表达ZmRAFS基因增加了种子中棉子糖含量但却降低了叶片中棉子糖含量。其原因是植物叶片中合成的蔗糖优先供给库器官。蔗糖是ZmRAFS合成酶的底物,蔗糖在叶片中供应不足导致该酶不能合成棉子糖,而对其另一底物肌醇半乳糖苷进行水解产生肌醇。在干旱胁迫条件下,过量表达ZmRAFS产生的肌醇提高了植物的抗旱性。该研究揭示了通过调控棉子糖合成酶提高植物抗旱能力的新途径。

西北农林科技大学赵天永实验室多年来对棉子糖代谢相关基因在植物抗旱、抗热、抗寒、抗盐以及种子活力中的功能及其表达调控进行了系统研究。该实验室发现了通过调控ZmGOLS2可以提高棉子糖含量,提高植物的抗旱、抗热、抗寒、抗盐能力并且对植株生长没有任何负作用(Gu, 2016, Plant Molecular Biology);发现了棉子糖是决定玉米种子活力的关键因素 (Li, 2017, Molecular Plant);发现了ZmVP1和ZmABI5互作调控玉米种子内棉子糖的合成(Zhang, 2019, Journal of Agricultural and Food Chemistry);发现了玉米ZmHSFA2和ZmHSBP2互作,拮抗调控棉子糖的合成,调控植株的抗热性(Gu, 2019, The Plant Journal);发现了ZmDREB1A通过调控棉子糖的合成调控玉米的抗寒能力(Han, 2020, Plant and Cell Physiology)。

延伸阅读:

赵天永教授

赵天永,西北农林科技大学教授,博士生导师。本科毕业于河北农业大学园艺系。中国农业大学生物学院硕博连读并获作物遗传育种专业博士学位。曾在美国U.C.Berkeley和University of Kentucky从事博士后研究并随后任职Scientist I、Scientist II。目前承担本科生《分子生物学》英文教学工作以及博士生的《生命科学研究进展》课程。

研究方向:玉米抗逆分子生物学

主持课题:

1. 国家自然基金

2. 国家科技公关重大专项重点项目

3. 陕西省自然基金

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素材来源:西北农林科技大学官网

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