2月2日,南京農業(yè)大學資環(huán)學院朱毅勇教授團隊在水稻細胞膜質子泵研究方面取得新進展。研究發(fā)現,在水稻中過表達細胞膜質子泵OSA1既可以促進根系對氮素等養(yǎng)分的吸收,又可以增大葉片的氣孔開度,從而提升了水稻的氮素利用效率和光合作用速率,顯著提高了水稻的產量。這一研究為農作物養(yǎng)分高效利用提供了理論基礎,也為減少因過度施肥造成的環(huán)境污染問題及減緩溫室效應提供了新的思路。
細胞膜質子泵又稱為細胞膜質子ATP酶(PM H+-ATPase),是一種細胞中普遍存在的酶,它利用ATP水解產生的能量將氫離子排出細胞,為細胞膜內外養(yǎng)分等物質的運輸提供膜電位和質子驅動力,質子泵在植物體中具有強大的生理功能。本研究首先確立了質子泵參與水稻對銨態(tài)氮營養(yǎng)的吸收調節(jié),明確了過表達質子泵基因OSA1可以促進水稻對銨的獲取與同化。同時,由于質子泵還參與了氣孔對光響應的信號傳導,因此過表達質子泵基因OSA1也可以增大葉片氣孔開度,增強葉片對二氧化碳的吸收,促進光合作用速率。大田實驗結果表明,OSA1過表達水稻產量顯著增加,氮素利用率也大幅度提升;而OSA1功能敲除的水稻突變體株系表現出與過表達水稻相反的表型。轉錄組測序結果表明,過表達OSA1后顯著提升了植株中與碳氮代謝相關的重要基因的轉錄水平。另外,本研究還發(fā)現OSA1過表達水稻可以同時提高其他養(yǎng)分(例如磷和鉀)的吸收,為進一步探究水稻養(yǎng)分吸收的機理提供了理論基礎。
該研究成果在線發(fā)表于Nature Communications。南京農業(yè)大學資環(huán)學院張茂星博士(名古屋大學博士后)、北京大學王愔研究員、南京農業(yè)大學生命科學學院陳熙副教授、南京農業(yè)大學許飛云博士(現為福建農林大學博士后)為本論文共同第一作者,南京農業(yè)大學朱毅勇教授和日本名古屋大學木下俊則(Toshinori Kinoshita)教授為論文共同通訊作者。南京農業(yè)大學、上海交通大學、杭州師范大學、安徽科技學院、山西農業(yè)大學、中國農業(yè)科學院、日本名古屋大學和中部大學、德國李比希大學等相關合作單位的課題組師生參與了論文的部分工作。本研究得到了國家重點研發(fā)項目(2017YFD0200200/0200206)、國家自然科學基金(NSFC31471937)、日本科技部低碳技術研究與發(fā)展項目(JPMJAL1011)、日本先進科學領域研究項目(15H05956、20H05687)和安徽省自然科學基金(1608085MC59)的資助。
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