中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 4月12日，《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances） 在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心題為《鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TaNHX2與谷氨酸脫羧酶TaGAD1相互作用：通過調(diào)節(jié)氣孔開度增強(qiáng)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白TaNHX2調(diào)控小麥抗旱性的新機(jī)制，系統(tǒng)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(jìn)GABA（γ-氨基丁酸）積累，從而靈活調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)提高抗旱性的分子機(jī)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?zhǔn)鞘澜绶秶鷥?nèi)主要糧食作物之一，也是我國重要的口糧作物。小麥的持續(xù)增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)是確保國家“口糧絕對安全”的重大戰(zhàn)略需求，而干旱是影響小麥生產(chǎn)的主要非生物逆境之一，嚴(yán)重制約著小麥產(chǎn)量。因此，挖掘和鑒定小麥抗旱關(guān)鍵基因，深入揭示其調(diào)控抗旱性的分子基礎(chǔ)和遺傳網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)一步拓展和深化對小麥抗旱應(yīng)答及遺傳調(diào)控機(jī)理的認(rèn)識，對抗旱高產(chǎn)小麥新品種設(shè)計(jì)和培育也具有重要指導(dǎo)作用和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。
研究者鑒定到一個(gè)定位于小麥細(xì)胞內(nèi)液泡膜上的K+/H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TaNHX2，其受旱脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)。通過對敲除以及超表達(dá)材料抗旱性表型鑒定，證實(shí)TaNHX2能夠顯著提高小麥抗旱性，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其對小麥根系生長發(fā)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(diào)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(guān)重要的角色。因此，作者對不同轉(zhuǎn)基因株系在旱脅迫下的氣孔調(diào)控表現(xiàn)展開研究，發(fā)現(xiàn)TaNHX2通過干旱脅迫下積極調(diào)控氣孔的關(guān)閉來減少水分散失，進(jìn)而提高小麥水分利用效率，增強(qiáng)抗旱性。
作者進(jìn)一步篩選到一個(gè)與TaNHX2互作且定位于胞質(zhì)的蛋白TaGAD1，該基因編碼谷氨酸脫羧酶，是GABA合成的關(guān)鍵酶。GABA是一種不參與蛋白質(zhì)合成的氨基酸小分子，在動(dòng)物中，GABA被證實(shí)是重要的傳遞神經(jīng)信號的分子，它能通過其受體使神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生極化。有研究表明，GABA參與植物多種逆境響應(yīng)，在植物氣孔調(diào)節(jié)中也發(fā)揮著重要作用，然而目前對其調(diào)控機(jī)制還不清楚。作者對TaNHX2不同轉(zhuǎn)基因株系旱脅迫下的GABA含量及GAD酶活進(jìn)行測定，結(jié)果顯示，超表達(dá)株系的GAD酶活及GABA積累量更高，敲除株系反之。此外，作者發(fā)現(xiàn)外源噴施GABA可以有效恢復(fù)tanhx2突變體在旱脅迫下的氣孔缺陷表型提高抗旱性。為了進(jìn)一步解析分子機(jī)制，作者通過分段互作及酶活測定實(shí)驗(yàn)揭示了TaNHX2通過其朝向胞質(zhì)側(cè)的末端結(jié)構(gòu)域與谷氨酸脫羧酶TaGAD1自抑制結(jié)構(gòu)域互作，解除TaGAD1活性抑制，進(jìn)而促進(jìn)GABA的積累，從而靈活調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)抵御旱脅迫的分子機(jī)制。此外，通過對TaGAD1敲除株系表型鑒定，同樣證實(shí)了其在小麥抗旱性中發(fā)揮積極作用。尤其是，大田抗旱性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TaNHX2能夠有效提升小麥在旱脅迫下的產(chǎn)量，且對其他重要農(nóng)藝性狀沒有負(fù)效應(yīng)，表明TaNHX2-TaGAD1調(diào)控的GABA合成途徑在小麥協(xié)同調(diào)控生長發(fā)育和抵御水分脅迫過程中起了重要作用，為小麥抗逆高產(chǎn)協(xié)同改良提供了關(guān)鍵基因資源。
該研究解析了TaNHX2-TaGAD1調(diào)控小麥抗旱性的分子模塊，首次揭示了TaNHX2蛋白除離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能之外，通過與谷氨酸脫羧酶互作并調(diào)控其活性，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)GABA合成提高小麥抗旱性的新機(jī)制，拓展和深化了對小麥抗旱應(yīng)答及遺傳調(diào)控機(jī)理的認(rèn)識，同時(shí)發(fā)掘了GABA在作物抗旱遺傳改良和育種中的應(yīng)用潛力。研究結(jié)果為深入理解小麥抗旱高產(chǎn)性狀協(xié)同改良的分子機(jī)制提供了重要線索，為抗旱穩(wěn)產(chǎn)小麥新品種設(shè)計(jì)和培育提供了新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)思路。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究中心博士研究生李金鵬，已畢業(yè)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(xué)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(jìn)行了指導(dǎo)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(xué)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(xié)助和支持。感謝天津農(nóng)學(xué)院謝曉東研究員和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院何俊娜副教授提供的技術(shù)支持與幫助。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF1001604）、國家自然科學(xué)基金（32130078，32072001）、分子設(shè)計(jì)育種前沿科學(xué)中心（2023TC200）和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“2115人才培育計(jì)劃”的資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk4027
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