脱落酸长距离运输的生物学意义和分子机制解析

2021-03-05张国华胡彬华李仕贵

四川农业大学学报 2021年1期

钦鹏，张国华，胡彬华，李仕贵

（四川农业大学水稻研究所，成都 611130）

水稻是全世界一半以上人口的主食，其产量直接影响世界粮食安全。随着全球气候变暖，每年因温度升高造成世界水稻产量损失达到25%以上[1-2]。水稻灌浆期极易遭遇夏季高温危害，导致减产甚至绝收。解析高温影响水稻灌浆的分子机制，对培育耐高温水稻新品种，确保水稻高产和优质具有重要意义。

脱落酸（abscisic acid，ABA）作为调控植物生长发育和逆境胁迫反应的重要植物激素，其组织间的长距离转运现象早在半个世纪前被发现[3]。在近半个世纪内，ABA长距离运输在多个物种中进行了广泛的研究[4-8]，但由于缺乏直接的遗传学材料，其长距离转运的生物学意义至今仍未有明确定论。在调控ABA长距离转运的分子机制方面，尽管在拟南芥和水稻中克隆了几个参与ABA细胞水平转运的蛋白[9-13]，但ABA长距离转运的分子机制目前完全不清楚。

笔者8年前在杂交稻骨干亲本蜀恢527的EMS诱变突变体库中获得一份水稻籽粒灌浆缺陷突变体，命名为 dg1（defective grain-filling 1）。与野生型相比，该突变体表现为灌浆时间延长27 d，并有24.68%种子不能完全填充（图1）。基因定位发现LOC_Os03g12790基因中的一个导致蛋白提前终止的单碱基突变与表型完全连锁。该基因编码一个MATE（multidrug and toxic compound extrusion）转运蛋白，基因敲除和互补实验表明该MATE转运蛋白的突变导致了突变体dg1籽粒灌浆缺陷表型。由于拟南芥ABA合成缺陷突变体表现出与dg1类似的种子发育缺陷表型，因此推测DG1蛋白转运底物为ABA。笔者首先利用非洲爪蟾卵母细胞系统和3H-ABA在水稻原生质体转运系统证实了DG1蛋白具有外排ABA活性。亚细胞定位发现DG1主要定位在细胞膜上，该结果再次支持DG1具有外排ABA活性的结论。

图1 dg1突变体种子灌浆缺陷表型Figure 1 The defective grain filling phenotype of dg1

为确认dg1灌浆缺陷是否由于颖果中ABA含量降低导致，笔者测定了野生型和dg1突变体颖果，以及同时期茎秆和叶片中的ABA含量，发现与野生型相比，dg1颖果中ABA含量显著低于野生型，但叶片和茎秆中的ABA含量却高于野生型。基于此结果，笔者大胆推测颖果中的ABA主要来源于叶片。为了验证该猜想，笔者测定了ABA合成前体，发现绝大多数ABA合成前体位于叶片中，并且含量在野生型和dg1无明显差异；结合了叶片3H-ABA feeding实验，发现到达dg1颖果和茎秆的3H-ABA比例显著低于野生型；利用免疫荧光实验分析了DG1在节中的表达位置，发现了DG1主要位于扩大维管束和扩散维管束间的薄壁细胞特异表达，该类细胞对影响物质从叶片到颖果的长距离转运具有重要作用。综上，笔者从遗传学、生理学、组织细胞学角度揭示了水稻颖果中多数ABA来源于叶片，阐明了该长距离转运受DG1调控的分子机制。

同时笔者意外发现高温下dg1具有更强的灌浆缺陷表型。通过可控温度下的遗传表型，表达量分析和茎秆3H-ABA feeding等实验，确认了高温度下dg1灌浆缺陷表型更明显；发现了高温下野生型与dg1颖果中的3H-ABA比例的差异远高于温和温度下二者的差异。另外，一系列表达分析实验发现ABA可激活多个淀粉合成关键基因的表达，从而促进水稻籽粒灌浆充实。

综上所述，该研究阐明了水稻拥有一套从叶片到颖果的ABA长距离转运系统，揭示了MATE转运蛋白DG1调控该系统的分子机制，明确了ABA长距离运输响应温度从而确保不同温度下种子正常发育的生物学意义（图2）。