Science Advances | 四川农业大学李仕贵课题组揭示ABA长距离运输的生物学意义和调控机制

水稻种植技术 基因编码技术
eplants    2021-01-18    1135

  2021年1月16日,Science Advances 在线发表了四川农业大学李仕贵教授课题组与中国科学技术大学向成斌教授课题组合作的题为Leaf-derived ABA regulates rice seed development via a transporter-mediated and temperature-sensitive mechanism 的研究文章。该研究发现了水稻颖果中多数ABA来源于叶片,揭示了DG1调控叶片到颖果的ABA长距离运输的分子机制,明确了水稻利用基于叶片到颖果ABA运输的机制来确保种子正常发育以响应温度变化。

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  植物激素脱落酸(ABA)的长距离运输研究已有近50年的历史,但对其机理和生物学意义仍知之甚少。

  本研究,作者发现叶片来源的ABA以一种依赖于温度的方式控制水稻种子的发育,并受到调控水稻灌浆结实的的基因DG1的调节。

  DG1基因编码一个MATE转运蛋白,系列体内外实验证明该蛋白具有转运ABA活性。ABA在WT和DG1叶片中都有生物合成,但只有WT颖果积累了叶片来源的ABA。突变体dg1颖果中ABA含量显著低于野生型,但叶片和茎秆中ABA含量更高,暗示颖果中ABA可能不是主要在颖果中合成,而是从叶片中转运过来。叶片来源的ABA激活了淀粉合成基因,这解释了DG1中不完全灌浆和粉状种子的表型。DG1介导的ABA长途运输效率和灌浆表型均对温度敏感。

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  具体的分子机制为:当DG1将叶片合成的ABA装载到叶片韧皮部,然后ABA随着蒸腾作用到达节间的维管束细胞(EVB, enlarged vascular bundles)时,ABA通过未知的转运蛋白从EVB卸载到薄壁细胞(PC),然后PC ABA通过DG1和其他次要的ABA转运蛋白输出到DVB(diffusion vascular bundles)和茎。ABA随蒸腾作用到达颖果基部(小穗轴),之后DG1将ABA从小穗轴卸载到颖果中。叶片到颖果的ABA长途运输效率随温度升高而提高。叶源ABA到达颖果后,直接激活淀粉合成必需基因的表达,从而调节种子发育。

  此外,作者通过观察玉米DG1直系突变体中类似的籽粒灌浆缺陷,表明其他谷物中该分子机理的保守性。该研究表明,水稻利用基于叶片到颖果ABA运输的机制来确保种子正常发育以响应温度变化。

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