揭示作物株型塑造的新途径(2020.2.5 Plant Biotechnology Journal)

近日，中国农业大学作物化控团队在国际植物学期刊《Nature Plants》在线发表了题为 “Introducing Selective Agrochemical Manipulationof Gibberellin Metabolism into a Cereal Crop” 的最新研究成果。该研究分析了单双子叶作物玉米与棉花对植物生长调节剂1，1-二甲基哌啶鎓氯化物（1，1-dimethyl-piperidinium chloride，DPC）敏感性的差异，揭示了DPC调控靶标蛋白赤霉素合成关键酶-柯巴基焦磷酸合酶 （ent-copalyl diphosphate synthase， CPS）的生化机制，并利用基因编辑手段提高了玉米对DPC的敏感性。该研究对推动作物化控栽培技术原理发展具有重要的理论意义，且在利用生物技术手段构建易于调节剂调控的“轻简”作物（Easy-Crop）方面迈出了重要一步，更进一步推动常规作物栽培与现代生物技术的有效融合。

以资源节约为核心的精准、简化、高效栽培技术创新与应用是现代农业发展的主要方向，其中作物化学控制技术在作物生长定量调节、株型调控、微生态环境改善等方面具有独特效果，已成为棉花、玉米、水稻等栽培中的常规技术。在作物生产中，植物生长调节剂多为小分子化合物，其与靶标蛋白质大分子结合或互作调控作物生长，但不同作物靶标蛋白质分子空间构象与结合位点存在差异，导致物种间对小分子调节剂敏感性存在差异。调控赤霉素合成和信号通路关键基因是“绿色革命”以来提高谷物产量和资源利用效率的重要途径。以赤霉素合成为调控靶标的调节剂DPC，显著调控棉花植株生长，有效塑造株型，但其在玉米、水稻等调节作用不明显。因此，揭示DPC对不同作物生长调控敏感性差异分子机制，对拓展DPC在作物上应用具有重要意义。

本研究比较分析了DPC对玉米和棉花株高调控，明确了DPC可显著调节了棉花植株生长，但对玉米植株生长影响较小。体外纯化CPS蛋白并分析DPC对其抑制机制，发现DPC降低了CPS酶Kcat、KM，提高了CPS酶的Ksi，因此推测DPC是CPS的非竞争性抑制剂，并可能通过别构作用抑制CPS酶活性。同时，DPC显著抑制了棉花和拟南芥CPS酶活性，但对玉米CPS酶活性抑制较小。此外，将棉花GhCPS和玉米ZmCPS1分别回补到拟南芥CPS突变体ga1-1和ga1-5中，发现GhCPS回补株系对DPC敏感，而ZmCPS1回补株系对DPC不敏感。这表明不同作物CPSs蛋白差异是导致DPC对不同作物调控存在敏感性的主要原因。本研究进一步利用CRISPR/Cas9技术构建了玉米ZmCPS1的缺失突变体zmcps1，并将GhCPS回补到zmcps1，获得的转基因玉米株系对DPC的敏感性显著提高。该结果说明，利用现代基因编辑技术改良调节剂靶标基因，能够使作物符合化学调控技术需求，实现遗传育种手段与栽培技术应用的有机结合，为“轻简”作物构建提供新的思路。

我校农学院博士后张娟与张钰石為本文的共同第一作者，李召虎教授和美国爱荷华州立大学Reuben J. Peters教授为本论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目等资助。