Plant Cell | 秦峰团队揭示干旱胁迫导致玉米ASI增大的新机制
发布日期:2021-03-22 浏览次数:  信息来源:生物学院

  

  在世界范围内,干旱是影响玉米产量的主要自然灾害。玉米作为雌雄同株异花的植物,雄性和雌性花序的协同发育对籽粒的形成起着决定性的作用,进而决定植株的产量。当玉米雌雄穗分化时遭遇干旱胁迫,其散粉(雄穗成熟)和吐丝(雌穗成熟)时期会产生明显的时间间隔(Anthesis and Silking Interval, ASI),从而造成雌花的授粉失败,导致严重的产量损失。但至今为止,人们对于干旱胁迫导致ASI增大的机制几乎一无所知。


  3月17日,中国农业大学秦峰教授团队在The Plant Cell杂志上在线发表题为Manipulating ZmEXPA4 expression ameliorates the drought-induced prolonged anthesis and silking interval in maize的研究论文,揭示了干旱胁迫导致玉米ASI增大的新机制。



  干旱胁迫下,对玉米雌雄穗发育的精细比较发现,相较与雄穗,干旱胁迫对雌穗发育影响更为明显。主要表现为,干旱胁迫严重推迟了雌穗的发育、减缓花丝生长的速度,因而导致ASI的增大。与以往研究不同,本研究对正常生长及干旱胁迫下发育至相同生长时期的雌穗的转录组分析发现,虽然干旱胁迫推迟了雌穗的生长发育进程,但是对雌穗花器官分化和建成相关基因影响较小。然而,在花丝伸长期,干旱严重抑制了生长素相关基因(如:SAUR)、光合作用相关基因、细胞壁前体合成酶相关基因和大量细胞伸长生长相关基因(如Expansin、Aquaporin、XET等)的表达。且这些基因的下调表达可能最终导致了花丝伸长速率。


  在228份玉米自然变异群体中,对上述细胞伸长生长相关基因的候选基因关联分析显示,一个扩张蛋白基因ZmEXPA4的胁迫下的下调量与ASI之间存在显著负关联。利用在花丝伸长期且干旱诱导型启动驱动ZmEXPA4的表达,可在不影响株高等性状的前提下显著降低干旱胁迫诱导产生的ASI。


  该研究对干旱胁迫导致玉米ASI增大的分子机制提供了新的见解,并对改良ASI性状提出了新的策略。

  (A) 干旱胁迫使花丝伸长速率降低的分子机理的模型。(B) 干旱诱导型启动子(566pro)对ZmEXPA4的表达进行调控。(C-D) 干旱胁迫下,566pro的转基因植株不影响株高但显著的降低ASI。(E) 566pro的转基因植株中ZmEXPA4-Myc蛋白表达量。(F) 干旱胁迫下,566pro转基因植株与对照的散粉吐丝情况。放大的图像显示了,在相同散粉情况下,对照植株上雌穗不可见而566pro转基因植物上出现了雌穗和花丝。



  值得一提的是,The Plant Cell杂志同期在IN BRIFT 栏目还将以“Expansin helps maize to get the right timing: inducible accumulation of α-expansin4 mitigates drought effects on grain yield”为题,对该研究成果进行重点推介。文中特别指出“利用自然多样性和基因工程技术,是在全球气候变化情况下获得能够维持作物高产潜力的新品种的替代策略”。


  中国科学院植物研究所、中国农业大学生物学院客座博士研究生刘博欣为文章的第一作者,中国农业大学生物学院秦峰教授为论文的通讯作者。

全文链接:


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



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