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木薯（Manihot esculenta Crantz）是一種重要的熱帶作物，是非洲等熱帶地區(qū)的主要糧食作物之一。其塊根碳水化合物含量高達38%，且含有多種維生素，是全球10億多人口的主要食物來源。木薯在種植過程中，其苗期和塊根形成期與熱帶地區(qū)的旱季重疊，干旱對木薯的產(chǎn)量和品質(zhì)有非常大的影響。因此，鑒定木薯重要的抗旱基因、提高栽培木薯對干旱的適應(yīng)性，對我國“熱帶農(nóng)業(yè)走出去”支持國家“一帶一路”倡議、維護世界糧食安全具有重要的意義。
活性氧平衡在植物應(yīng)對干旱脅迫過程中起關(guān)鍵作用。谷氧還蛋白是植物體內(nèi)維持活性氧平衡的重要組份，但其通過活性氧平衡調(diào)控植物干旱脅迫響應(yīng)的分子機制仍有待探索。近日，中國熱科院生物所功能基因研究組在權(quán)威雜志中科院一區(qū)TOP期刊《Plant Biotechnology Journal》在線發(fā)表了題為 “ CC-type glutaredoxin, MeGRXC3, associates with catalases and negatively regulates drought tolerance in cassava (Manihot esculenta Crantz)” 的研究論文，證實了CC類谷氧還蛋白MeGRXC3可以在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控過氧化氫酶的活性、影響過氧化氫在葉片表皮不同類型細胞中的分布，從而調(diào)控木薯對干旱脅迫的響應(yīng)。研究結(jié)果有助于人們理解谷氧還蛋白通過活性氧平衡調(diào)控木薯干旱脅迫響應(yīng)的復(fù)雜機制，同時為利用關(guān)鍵基因培育抗旱高產(chǎn)木薯新品種提供基因資源和科學(xué)依據(jù)。
該團隊在100份栽培木薯種質(zhì)中，通過目標區(qū)間重測序和抗旱指標的關(guān)聯(lián)分析，確定了MeGRXC3與干旱脅迫下木薯葉片中的過氧化氫酶活性顯著相關(guān)。通過轉(zhuǎn)基因木薯的抗旱表型分析，發(fā)現(xiàn)MeGRXC3負調(diào)控干旱和脫落酸誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，從而影響轉(zhuǎn)基因木薯的干旱耐受性。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，MeGRXC3可以拮抗性調(diào)控過氧化氫在木薯葉片下表皮間隔細胞和保衛(wèi)細胞中的分布。
圖1 MeGRXC3轉(zhuǎn)基因木薯抗旱表型分析
利用蛋白免疫共沉淀技術(shù)，該研究團隊從木薯葉片中篩選到3個可能與MeGRXC3互作的過氧化氫酶蛋白，隨后證實了MeGRXC3可以分別與過氧化氫酶MeCAT1、MeCAT2相互結(jié)合，并調(diào)控其過氧化氫酶活性。不僅如此，研究團隊發(fā)現(xiàn)MeGRXC3可以通過與轉(zhuǎn)錄因子MeTGA2在細胞核中互作來調(diào)控多個脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因的表達，并通過轉(zhuǎn)錄因子MeMYB63調(diào)控過氧化氫酶MeCAT7基因的表達，從而在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控過氧化氫酶的活性。以上研究為解析活性氧平衡調(diào)控植物干旱脅迫響應(yīng)的分子機制打開了新視角，同時展現(xiàn)了MeGRXC3基因在提升干旱環(huán)境下木薯塊根產(chǎn)量方面的潛在應(yīng)用價值。
圖2 MeGRXC3調(diào)控過氧化氫酶響應(yīng)干旱脅迫的作用模式
本研究是在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院三亞研究院彭明研究員指導(dǎo)下完成的。生物所郭鑫博士、于曉玲副研究員為論文的共同第一作者，阮孟斌副研究員為本文的通訊作者。海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院2020級碩士研究生徐子寅，生物所趙平娟副研員，鄒良平助理研究員、李文彬副研究員，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究員，海南大學(xué)耿夢婷博士也參與了此項研究。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、海南省重大科技計劃、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費以及崖州灣種子實驗室等項目的資助。
生物所功能基因研究團隊主要以重要熱帶作物木薯和香蕉為研究對象，針對熱帶作物響應(yīng)環(huán)境脅迫的分子機制展開研究，挖掘重要功能基因和非編碼RNA，以推動熱帶作物生物育種技術(shù)的發(fā)展。團隊成員均為“海南自由貿(mào)易港高層次人才”，包括熱帶農(nóng)業(yè)青年英才“拔尖人才”1名。團隊自組建以來共主持國家“973”計劃項目1項，國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）合作項目1項、國家自然科學(xué)基金面上項目1項、國家自然科學(xué)基金青年基金項目3項，參與國家重點研發(fā)計劃、國家863計劃、科技支撐計劃、海南省重大研發(fā)計劃等項目多項。近五年來，團隊在木薯抗逆機制及重要功能基因挖掘方面取得重要進展，并在國際知名專業(yè)期刊Plant Biotechnology Journal, Plant, Cell & Environment, Theoretical and Applied Genetics, Journal of Experimental Botany, BMC Plant Biology, Frontiers in Plant Science等上發(fā)表相關(guān)論文10多篇，致力為推動熱帶作物基礎(chǔ)研究的發(fā)展貢獻力量。
相關(guān)論文全文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.13920
木薯（Manihot esculenta Crantz）是一種重要的熱帶作物，是非洲等熱帶地區(qū)的主要糧食作物之一。其塊根碳水化合物含量高達38%，且含有多種維生素，是全球10億多人口的主要食物來源。木薯在種植過程中，其苗期和塊根形成期與熱帶地區(qū)的旱季重疊，干旱對木薯的產(chǎn)量和品質(zhì)有非常大的影響。因此，鑒定木薯重要的抗旱基因、提高栽培木薯對干旱的適應(yīng)性，對我國“熱帶農(nóng)業(yè)走出去”支持國家“一帶一路”倡議、維護世界糧食安全具有重要的意義。
活性氧平衡在植物應(yīng)對干旱脅迫過程中起關(guān)鍵作用。谷氧還蛋白是植物體內(nèi)維持活性氧平衡的重要組份，但其通過活性氧平衡調(diào)控植物干旱脅迫響應(yīng)的分子機制仍有待探索。近日，中國熱科院生物所功能基因研究組在權(quán)威雜志中科院一區(qū)TOP期刊《Plant Biotechnology Journal》在線發(fā)表了題為 “ CC-type glutaredoxin, MeGRXC3, associates with catalases and negatively regulates drought tolerance in cassava (Manihot esculenta Crantz)” 的研究論文，證實了CC類谷氧還蛋白MeGRXC3可以在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控過氧化氫酶的活性、影響過氧化氫在葉片表皮不同類型細胞中的分布，從而調(diào)控木薯對干旱脅迫的響應(yīng)。研究結(jié)果有助于人們理解谷氧還蛋白通過活性氧平衡調(diào)控木薯干旱脅迫響應(yīng)的復(fù)雜機制，同時為利用關(guān)鍵基因培育抗旱高產(chǎn)木薯新品種提供基因資源和科學(xué)依據(jù)。
該團隊在100份栽培木薯種質(zhì)中，通過目標區(qū)間重測序和抗旱指標的關(guān)聯(lián)分析，確定了MeGRXC3與干旱脅迫下木薯葉片中的過氧化氫酶活性顯著相關(guān)。通過轉(zhuǎn)基因木薯的抗旱表型分析，發(fā)現(xiàn)MeGRXC3負調(diào)控干旱和脫落酸誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，從而影響轉(zhuǎn)基因木薯的干旱耐受性。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，MeGRXC3可以拮抗性調(diào)控過氧化氫在木薯葉片下表皮間隔細胞和保衛(wèi)細胞中的分布。
圖1 MeGRXC3轉(zhuǎn)基因木薯抗旱表型分析
利用蛋白免疫共沉淀技術(shù)，該研究團隊從木薯葉片中篩選到3個可能與MeGRXC3互作的過氧化氫酶蛋白，隨后證實了MeGRXC3可以分別與過氧化氫酶MeCAT1、MeCAT2相互結(jié)合，并調(diào)控其過氧化氫酶活性。不僅如此，研究團隊發(fā)現(xiàn)MeGRXC3可以通過與轉(zhuǎn)錄因子MeTGA2在細胞核中互作來調(diào)控多個脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因的表達，并通過轉(zhuǎn)錄因子MeMYB63調(diào)控過氧化氫酶MeCAT7基因的表達，從而在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控過氧化氫酶的活性。以上研究為解析活性氧平衡調(diào)控植物干旱脅迫響應(yīng)的分子機制打開了新視角，同時展現(xiàn)了MeGRXC3基因在提升干旱環(huán)境下木薯塊根產(chǎn)量方面的潛在應(yīng)用價值。
圖2 MeGRXC3調(diào)控過氧化氫酶響應(yīng)干旱脅迫的作用模式
本研究是在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院三亞研究院彭明研究員指導(dǎo)下完成的。生物所郭鑫博士、于曉玲副研究員為論文的共同第一作者，阮孟斌副研究員為本文的通訊作者。海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院2020級碩士研究生徐子寅，生物所趙平娟副研員，鄒良平助理研究員、李文彬副研究員，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬研究員，海南大學(xué)耿夢婷博士也參與了此項研究。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、海南省重大科技計劃、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費以及崖州灣種子實驗室等項目的資助。
生物所功能基因研究團隊主要以重要熱帶作物木薯和香蕉為研究對象，針對熱帶作物響應(yīng)環(huán)境脅迫的分子機制展開研究，挖掘重要功能基因和非編碼RNA，以推動熱帶作物生物育種技術(shù)的發(fā)展。團隊成員均為“海南自由貿(mào)易港高層次人才”，包括熱帶農(nóng)業(yè)青年英才“拔尖人才”1名。團隊自組建以來共主持國家“973”計劃項目1項，國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）合作項目1項、國家自然科學(xué)基金面上項目1項、國家自然科學(xué)基金青年基金項目3項，參與國家重點研發(fā)計劃、國家863計劃、科技支撐計劃、海南省重大研發(fā)計劃等項目多項。近五年來，團隊在木薯抗逆機制及重要功能基因挖掘方面取得重要進展，并在國際知名專業(yè)期刊Plant Biotechnology Journal, Plant, Cell & Environment, Theoretical and Applied Genetics, Journal of Experimental Botany, BMC Plant Biology, Frontiers in Plant Science等上發(fā)表相關(guān)論文10多篇，致力為推動熱帶作物基礎(chǔ)研究的發(fā)展貢獻力量。
相關(guān)論文全文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.13920
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