木薯（Manihot esculenta Crantz）是一種重要的熱帶作物，是非洲等熱帶地區(qū)的主要糧食作物之一。其塊根碳水化合物含量高達(dá)38%，且含有多種維生素，是全球10億多人口的主要食物來(lái)源。木薯在種植過(guò)程中，其苗期和塊根形成期與熱帶地區(qū)的旱季重疊，干旱對(duì)木薯的產(chǎn)量和品質(zhì)有非常大的影響。因此，鑒定木薯重要的抗旱基因、提高栽培木薯對(duì)干旱的適應(yīng)性，對(duì)我國(guó)“熱帶農(nóng)業(yè)走出去”支持國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略、維護(hù)世界糧食安全具有重要的意義。
活性氧平衡在植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫過(guò)程中起關(guān)鍵作用。谷氧還蛋白是植物體內(nèi)維持活性氧平衡的重要組份，但其通過(guò)活性氧平衡調(diào)控植物干旱脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制仍有待探索。近日，中國(guó)熱科院生物所功能基因研究組在權(quán)威雜志中科院一區(qū)TOP期刊《Plant Biotechnology Journal》在線發(fā)表了題為 “ CC-type glutaredoxin, MeGRXC3, associates with catalases and negatively regulates drought tolerance in cassava （Manihot esculenta Crantz）” 的研究論文，證實(shí)了CC類(lèi)谷氧還蛋白MeGRXC3可以在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控過(guò)氧化氫酶的活性、影響過(guò)氧化氫在葉片表皮不同類(lèi)型細(xì)胞中的分布，從而調(diào)控木薯對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)。研究結(jié)果有助于人們理解谷氧還蛋白通過(guò)活性氧平衡調(diào)控木薯干旱脅迫響應(yīng)的復(fù)雜機(jī)制，同時(shí)為利用關(guān)鍵基因培育抗旱高產(chǎn)木薯新品種提供基因資源和科學(xué)依據(jù)。
該團(tuán)隊(duì)在100份栽培木薯種質(zhì)中，通過(guò)目標(biāo)區(qū)間重測(cè)序和抗旱指標(biāo)的關(guān)聯(lián)分析，確定了MeGRXC3與干旱脅迫下木薯葉片中的過(guò)氧化氫酶活性顯著相關(guān)。通過(guò)轉(zhuǎn)基因木薯的抗旱表型分析，發(fā)現(xiàn)MeGRXC3負(fù)調(diào)控干旱和脫落酸誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，從而影響轉(zhuǎn)基因木薯的干旱耐受性。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，MeGRXC3可以拮抗性調(diào)控過(guò)氧化氫在木薯葉片下表皮間隔細(xì)胞和保衛(wèi)細(xì)胞中的分布。
利用蛋白免疫共沉淀技術(shù)，該研究團(tuán)隊(duì)從木薯葉片中篩選到3個(gè)可能與MeGRXC3互作的過(guò)氧化氫酶蛋白，隨后證實(shí)了MeGRXC3可以分別與過(guò)氧化氫酶MeCAT1、MeCAT2相互結(jié)合，并調(diào)控其過(guò)氧化氫酶活性。不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)MeGRXC3可以通過(guò)與轉(zhuǎn)錄因子MeTGA2在細(xì)胞核中互作來(lái)調(diào)控多個(gè)脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)，并通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子MeMYB63調(diào)控過(guò)氧化氫酶MeCAT7基因的表達(dá)，從而在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控過(guò)氧化氫酶的活性。以上研究為解析活性氧平衡調(diào)控植物干旱脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制打開(kāi)了新視角，同時(shí)展現(xiàn)了MeGRXC3基因在提升干旱環(huán)境下木薯塊根產(chǎn)量方面的潛在應(yīng)用價(jià)值。
本研究是在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院三亞研究院彭明研究員指導(dǎo)下完成的。生物所郭鑫博士、于曉玲副研究員為論文的共同第一作者，阮孟斌副研究員為本文的通訊作者。海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院2020級(jí)碩士研究生徐子寅，生物所趙平娟副研員，鄒良平助理研究員、李文彬副研究員，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究員，海南大學(xué)耿夢(mèng)婷博士也參與了此項(xiàng)研究。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、海南省重大科技計(jì)劃、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)以及崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。
生物所功能基因研究團(tuán)隊(duì)主要以重要熱帶作物木薯和香蕉為研究對(duì)象，針對(duì)熱帶作物響應(yīng)環(huán)境脅迫的分子機(jī)制展開(kāi)研究，挖掘重要功能基因和非編碼RNA，以推動(dòng)熱帶作物生物育種技術(shù)的發(fā)展。團(tuán)隊(duì)成員均為“海南自由貿(mào)易港高層次人才”，包括熱帶農(nóng)業(yè)青年英才“拔尖人才”1名。團(tuán)隊(duì)自組建以來(lái)共主持國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際（地區(qū)）合作項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目3項(xiàng)，參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家863計(jì)劃、科技支撐計(jì)劃、海南省重大研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目多項(xiàng)。近五年來(lái)，團(tuán)隊(duì)在木薯抗逆機(jī)制及重要功能基因挖掘方面取得重要進(jìn)展，并在國(guó)際知名專(zhuān)業(yè)期刊Plant Biotechnology Journal, Plant, Cell & Environment, Theoretical and Applied Genetics, Journal of Experimental Botany, BMC Plant Biology, Frontiers in Plant Science等上發(fā)表相關(guān)論文10多篇，致力為推動(dòng)熱帶作物基礎(chǔ)研究的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
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