Plant Cell | 玉米中一个调控水分利用率的基因

地球上珍贵的水资源对于动植物的生存非常重要，在面对极端气候条件（如干旱）时，如何提高水分利用率同时保证农作物的高产一直是科学家非常关注的的研究内容【1】。植物消耗每单位水产生的生物量被称为全株水分利用率（WUEplant，whole plant water use efficiency），主要受光合作用和蒸腾作用影响；植物的二氧化碳同化与气孔导度的比率被称为先天水分利用率（iWUE，intrinsic WUE）;WUEplant直接受iWUE影响，因此气孔导度变化对WUEplant影响较大【2】。植物激素ABA是调控气孔开关的关键因子，直接影响植物应对干旱、低温、高盐等非生物胁迫，与iWUE和WUEplant有关【3，4，5】。植物光合作用过程中，可以区分利用碳同位素13C和12C，优先利用较轻的12C，产生碳动力学分馏被称为Δ13C。在C3植物中，植物生物量的Δ13C已经作为检测iWUE和WUEplant的重要指标【6】。然而C4植物中由于初始碳固定作用和光合作用细胞类型的不同弱化了Δ13C和iWUE/WUEplant之间的相关性，其内在联系需要进一步探究【7】。

近日，来自德国的研究团队在The plant cell杂志发表了题为Natural alleles of the absicisic acid catabolism gene ZmAbh4 modulate water use efficiency and carbon isotope discrimination in maize的研究论文，从C4作物玉米中鉴定到一个调控水分利用率的基因ZmAbn4，并对其调控功能进行了深入研究。

本研究前期，作者鉴定到两个玉米株系，回交亲本RP和近等基因系NIL B，两个株系在WUEplant，iWUE，气孔导度，气孔密度，叶片ABA浓度，对干旱敏感度，碳动力学分馏等多项指标存在明显差异【8】。根据两个玉米株系七号染色体的序列差异，同时将NIL B与RP株系回交，结合反向和正向遗传学证据鉴定到ZmAbh4位点作为唯一候选基因，相关表型参数测定也指向同一基因。ZmAbh4编码ABA 8’-羟化酶，是ABA主要分解代谢途径第一步的关键催化酶，催化ABA的8号位转化为8’羟基脱落酸，然后异构化为菜豆酸（PA，phaseic acid），并进一步分解代谢为二氢菜豆酸（DPA，dihydrophaseic）【9】。研究人员通过测定PA的水平确定了ZmAbh4的催化功能，进一步测定不同株系中的ABA的水平，确定了ZmAbh4主要通过控制ABA的水平影响相关表性变化。

研究人员通过基因编辑技术构建了的近交系B104 的zmabh4突变体，检测发现水分充足时，突变体和野生型中ABA含量相似，然而在突变体中PA/ABA的比率下降了，说明突变体中ABA 8’-羟基化作用减弱；在干旱胁迫条件下，突变体和野生型的ABA含量明显存在差异，同时解除干旱胁迫前后，PA/ABA的代谢比率也有较大不同。研究人员检测突变体中气孔导度也显著下降，因此iWUE上升，WUEplant也上升，同时突变体中表现较高的Δ13C，进一步证明玉米中iWUE和WUEplant与Δ13C有关。研究人员进一步分析突变体的其他农艺性状，发现水分利用率上升后在发芽率和产量方面没有明显影响，预示ZmAbh4基因在玉米抗旱育种中的重要潜力。

最后研究人员进一步发现，iWUE和Ci/Ca（细胞间-环境中二氧化碳浓度变化）驱动了叶片 和籽粒Δ13C的变化，而气孔导度是玉米中iWUE和Δ13C同时变化的主要因素。

综上所述，本研究发现并探究了ZmAbh4基因调控水分利用率和碳动力学分馏的分子机制，揭示了Δ13C可以作为C4植物玉米WUE的重要指标，为C4作物抗旱和产量保证的研究和育种提供的重要的基因资源和理论依据。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac200

转自：植物科学SCI

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