中國農大新聞網訊 4月12日，《科學進展》（Science Advances） 在線發表了中國農業大學農學院小麥研究中心題為《鉀離子轉運蛋白TaNHX2與谷氨酸脫羧酶TaGAD1相互作用：通過調節氣孔開度增強小麥抗旱性》（The potassium transporter TaNHX2 interacts with TaGAD1 to promote drought tolerance via modulating stomatal aperture in wheat）的研究論文，該研究揭示了定位于液泡膜的K+/H+轉運蛋白TaNHX2調控小麥抗旱性的新機制，系統解析了TaNHX2蛋白通過與谷氨酸脫羧酶TaGAD1互作，解除TaGAD1自我抑制，促進GABA（γ-氨基丁酸）積累，從而靈活調控氣孔運動提高抗旱性的分子機制，為小麥抗旱性遺傳改良提供了新思路和重要基因資源。
小麥是世界范圍內主要糧食作物之一，也是我國重要的口糧作物。小麥的持續增產和穩產是確保國家“口糧絕對安全”的重大戰略需求，而干旱是影響小麥生產的主要非生物逆境之一，嚴重制約著小麥產量。因此，挖掘和鑒定小麥抗旱關鍵基因，深入揭示其調控抗旱性的分子基礎和遺傳網絡，可進一步拓展和深化對小麥抗旱應答及遺傳調控機理的認識，對抗旱高產小麥新品種設計和培育也具有重要指導作用和實踐應用價值。
研究者鑒定到一個定位于小麥細胞內液泡膜上的K+/H+轉運蛋白TaNHX2，其受旱脅迫誘導上調表達。通過對敲除以及超表達材料抗旱性表型鑒定，證實TaNHX2能夠顯著提高小麥抗旱性，進一步發現其對小麥根系生長發育無顯著影響，主要通過影響旱脅迫下葉片失水率參與小麥抗旱性調控。氣孔作為植物控制水分散失的“守門員”，在抗旱性中扮演著至關重要的角色。因此，作者對不同轉基因株系在旱脅迫下的氣孔調控表現展開研究，發現TaNHX2通過干旱脅迫下積極調控氣孔的關閉來減少水分散失，進而提高小麥水分利用效率，增強抗旱性。
作者進一步篩選到一個與TaNHX2互作且定位于胞質的蛋白TaGAD1，該基因編碼谷氨酸脫羧酶，是GABA合成的關鍵酶。GABA是一種不參與蛋白質合成的氨基酸小分子，在動物中，GABA被證實是重要的傳遞神經信號的分子，它能通過其受體使神經細胞發生極化。有研究表明，GABA參與植物多種逆境響應，在植物氣孔調節中也發揮著重要作用，然而目前對其調控機制還不清楚。作者對TaNHX2不同轉基因株系旱脅迫下的GABA含量及GAD酶活進行測定，結果顯示，超表達株系的GAD酶活及GABA積累量更高，敲除株系反之。此外，作者發現外源噴施GABA可以有效恢復tanhx2突變體在旱脅迫下的氣孔缺陷表型提高抗旱性。為了進一步解析分子機制，作者通過分段互作及酶活測定實驗揭示了TaNHX2通過其朝向胞質側的末端結構域與谷氨酸脫羧酶TaGAD1自抑制結構域互作，解除TaGAD1活性抑制，進而促進GABA的積累，從而靈活調控氣孔運動抵御旱脅迫的分子機制。此外，通過對TaGAD1敲除株系表型鑒定，同樣證實了其在小麥抗旱性中發揮積極作用。尤其是，大田抗旱性試驗發現TaNHX2能夠有效提升小麥在旱脅迫下的產量，且對其他重要農藝性狀沒有負效應，表明TaNHX2-TaGAD1調控的GABA合成途徑在小麥協同調控生長發育和抵御水分脅迫過程中起了重要作用，為小麥抗逆高產協同改良提供了關鍵基因資源。
該研究解析了TaNHX2-TaGAD1調控小麥抗旱性的分子模塊，首次揭示了TaNHX2蛋白除離子轉運功能之外，通過與谷氨酸脫羧酶互作并調控其活性，進而通過調節GABA合成提高小麥抗旱性的新機制，拓展和深化了對小麥抗旱應答及遺傳調控機理的認識，同時發掘了GABA在作物抗旱遺傳改良和育種中的應用潛力。研究結果為深入理解小麥抗旱高產性狀協同改良的分子機制提供了重要線索，為抗旱穩產小麥新品種設計和培育提供了新的理論基礎和技術思路。
中國農業大學農學院小麥研究中心博士研究生李金鵬，已畢業博士生劉星貝和博士研究生萇淑敏為論文共同第一作者，小麥研究中心胡兆榮教授與河南大學龍雨教授為該論文的共同通訊作者。小麥研究中心孫其信院士、倪中福教授、彭惠茹教授、姚穎垠教授、辛明明教授、郭偉龍副教授對該工作進行了指導和幫助。感謝小麥研究中心博士研究生褚蔚、林靖辰以及河南大學龍雨課題組的研究生周慧、胡卓冉、研究助理張滿倉對本研究的協助和支持。感謝天津農學院謝曉東研究員和中國農業大學園藝學院何俊娜副教授提供的技術支持與幫助。該工作得到了國家重點研發計劃（2022YFF1001604）、國家自然科學基金（32130078，32072001）、分子設計育種前沿科學中心（2023TC200）和中國農業大學“2115人才培育計劃”的資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk4027
日期：2024-05-21
小麥是世界范圍內主要糧食作物之一，也是我國重要的口糧作物。小麥的持續增產和穩產是確保國家“口糧絕對安全”的重大戰略需求，而干旱是影響小麥生產的主要非生物逆境之一，嚴重制約著小麥產量。因此，挖掘和鑒定小麥抗旱關鍵基因，深入揭示其調控抗旱性的分子基礎和遺傳網絡，可進一步拓展和深化對小麥抗旱應答及遺傳調控機理的認識，對抗旱高產小麥新品種設計和培育也具有重要指導作用和實踐應用價值。
研究者鑒定到一個定位于小麥細胞內液泡膜上的K+/H+轉運蛋白TaNHX2，其受旱脅迫誘導上調表達。通過對敲除以及超表達材料抗旱性表型鑒定，證實TaNHX2能夠顯著提高小麥抗旱性，進一步發現其對小麥根系生長發育無顯著影響，主要通過影響旱脅迫下葉片失水率參與小麥抗旱性調控。氣孔作為植物控制水分散失的“守門員”，在抗旱性中扮演著至關重要的角色。因此，作者對不同轉基因株系在旱脅迫下的氣孔調控表現展開研究，發現TaNHX2通過干旱脅迫下積極調控氣孔的關閉來減少水分散失，進而提高小麥水分利用效率，增強抗旱性。
作者進一步篩選到一個與TaNHX2互作且定位于胞質的蛋白TaGAD1，該基因編碼谷氨酸脫羧酶，是GABA合成的關鍵酶。GABA是一種不參與蛋白質合成的氨基酸小分子，在動物中，GABA被證實是重要的傳遞神經信號的分子，它能通過其受體使神經細胞發生極化。有研究表明，GABA參與植物多種逆境響應，在植物氣孔調節中也發揮著重要作用，然而目前對其調控機制還不清楚。作者對TaNHX2不同轉基因株系旱脅迫下的GABA含量及GAD酶活進行測定，結果顯示，超表達株系的GAD酶活及GABA積累量更高，敲除株系反之。此外，作者發現外源噴施GABA可以有效恢復tanhx2突變體在旱脅迫下的氣孔缺陷表型提高抗旱性。為了進一步解析分子機制，作者通過分段互作及酶活測定實驗揭示了TaNHX2通過其朝向胞質側的末端結構域與谷氨酸脫羧酶TaGAD1自抑制結構域互作，解除TaGAD1活性抑制，進而促進GABA的積累，從而靈活調控氣孔運動抵御旱脅迫的分子機制。此外，通過對TaGAD1敲除株系表型鑒定，同樣證實了其在小麥抗旱性中發揮積極作用。尤其是，大田抗旱性試驗發現TaNHX2能夠有效提升小麥在旱脅迫下的產量，且對其他重要農藝性狀沒有負效應，表明TaNHX2-TaGAD1調控的GABA合成途徑在小麥協同調控生長發育和抵御水分脅迫過程中起了重要作用，為小麥抗逆高產協同改良提供了關鍵基因資源。
該研究解析了TaNHX2-TaGAD1調控小麥抗旱性的分子模塊，首次揭示了TaNHX2蛋白除離子轉運功能之外，通過與谷氨酸脫羧酶互作并調控其活性，進而通過調節GABA合成提高小麥抗旱性的新機制，拓展和深化了對小麥抗旱應答及遺傳調控機理的認識，同時發掘了GABA在作物抗旱遺傳改良和育種中的應用潛力。研究結果為深入理解小麥抗旱高產性狀協同改良的分子機制提供了重要線索，為抗旱穩產小麥新品種設計和培育提供了新的理論基礎和技術思路。
中國農業大學農學院小麥研究中心博士研究生李金鵬，已畢業博士生劉星貝和博士研究生萇淑敏為論文共同第一作者，小麥研究中心胡兆榮教授與河南大學龍雨教授為該論文的共同通訊作者。小麥研究中心孫其信院士、倪中福教授、彭惠茹教授、姚穎垠教授、辛明明教授、郭偉龍副教授對該工作進行了指導和幫助。感謝小麥研究中心博士研究生褚蔚、林靖辰以及河南大學龍雨課題組的研究生周慧、胡卓冉、研究助理張滿倉對本研究的協助和支持。感謝天津農學院謝曉東研究員和中國農業大學園藝學院何俊娜副教授提供的技術支持與幫助。該工作得到了國家重點研發計劃（2022YFF1001604）、國家自然科學基金（32130078，32072001）、分子設計育種前沿科學中心（2023TC200）和中國農業大學“2115人才培育計劃”的資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk4027
日期：2024-05-21
