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王雷研究组在生物钟调控水稻耐盐性的机制解析中取得重要进展

水稻生物钟核心组分调控耐盐性的工作模型


土壤盐渍化已成为制约作物产量提高的主要因素,其中Na+离子浓度过高是造成植物离子毒害的主要原因。水稻是全球主要粮食作物,对盐胁迫敏感,盐渍环境可导致水稻产量显著下降。作为植物内在时间维持机制的生物钟,在调节植物生长发育和胁迫响应的过程中发挥着关键作用,但目前关于水稻生物钟核心组分是否参与耐盐性调节及其相关机制尚不清楚。

中国科学院植物研究所植物分子生理重点实验王雷研究组发现在水稻生物钟因子OsPRR (Oryza sativa Pseudo-Response Regulator)基因家族的5个成员中,OsPRR73可以特异性地正向调控水稻盐胁迫的响应。在T-DNA插入或基因编辑导致osprr73功能缺失的突变体中,多个水稻生物钟相关基因的表达时相及表达幅度受到影响,说明OsPRR73属于水稻生物钟的核心组分。有趣的是,在高盐环境中,osprr73功能缺失突变体均表现出Na+离子和活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)的高度积累,从而导致耐盐性降低的表型。进一步的表型分析发现osprr73突变体对Na2SO4对MgCl2甘露醇敏感,说明Na+离子毒害是osprr73突变体耐盐性降低的主要原因。转录组结合生化实验分析鉴定到一个编码细胞膜定位、负责Na+离子吸收的转运蛋白OsHKT2;1(High-affinity K+ transporters, HKT)OsPRR73的直接靶基因。OsPRR73通过结合在OsHKT2;1的启动子上,在时间维度抑制OsHKT2;1的表达,从而减少Na+离子在特定时间窗口的吸收,以减轻Na+的过度积累。OsPRR73蛋白的免疫共沉淀结合质谱分析以及其它多种蛋白互作手段揭示了OsPRR73可以与组蛋白去乙酰化酶HDAC10 (Histone deacetylase 10)互作,通过调控OsHKT2;1启动子上乙酰化修饰水平进而改变染色质状态,实现对OsHKT2;1转录抑制。相应的,通过基因编辑技术获得的oshkt2;1功能缺失突变体则表现出较强的耐盐性,且ROS积累量明显较低。重要的是,遗传学分析结果发现oshkt2;1基因的功能缺失可以恢复osprr73盐敏感表型,说明OsHKT2;1在遗传上位于OsPRR73的下游,通过调控Na+稳态平衡,减少ROS积累,提高水稻耐盐性。该研究首次系统解析了水稻生物钟组分调控盐胁迫的分子机制,研究将对研发和培育水稻耐盐品种提供理论支持和相关遗传资源。目前,该研究中的相关基因在调控水稻耐盐性方面的应用已经申请了国家专利(申请号:202019546971.1)。

该研究成果于20201221日发表于国际学术期刊The EMBO Journal,王雷研究组在读博士生魏华为论文第一作者,研究组王希岭、何雨晴和徐航同学亦有重要贡献,植物所王雷研究员为该论文通讯作者。该研究得到了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目和中科院战略性先导科技专项B类项目等的资助。

文章链接:https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2020105086

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