全球有超過150億畝的鹽漬化土壤因鹽堿度過高而不能被有效利用，不合理的施肥灌溉、海水倒灌和氣候變化將進一步加劇鹽堿土地面積的擴張，土壤鹽漬化已成為影響農(nóng)作物種植和威脅糧食安全最重要的環(huán)境因素之一。中國有鹽堿地約15億畝，相當于現(xiàn)有耕地面積的近八成，約5億畝具有開發(fā)潛力，培育耐鹽堿農(nóng)作物，開發(fā)鹽堿地土壤改良劑，提高鹽堿地產(chǎn)能，是解決我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。
3月7日，山東大學丁兆軍教授和山東省葡萄研究院李科副研究員團隊在Plant Physiology雜志（中科院1區(qū)TOP，IF6.5）上發(fā)表題為Methionine-mediated trade-off between plant growth and salt tolerance的研究論文，揭示了鹽脅迫通過誘導甲硫氨酸合成和信號轉(zhuǎn)導調(diào)控植物耐鹽和生長平衡的分子機制，并發(fā)現(xiàn)了外源甲硫氨酸在提高作物耐鹽中的關(guān)鍵作用。
當植物面臨鹽脅迫時，會采取一種聰明的策略來平衡生長和耐鹽性，一方面通過激活鹽脅迫反應以提高植物的耐鹽性，另一方面，植物通過抑制根系的快速生長減少能量消耗，重新分配細胞能量用于提高植物的耐鹽性，根系生長降低也能減少鹽分的吸收。在正常條件下，低水平的ROS和ABA維持了細胞內(nèi)生理水平的甲硫氨酸合成基因HMTs/MSs的表達和甲硫氨酸的含量，負責調(diào)節(jié)根系生長的基因被激活，而與耐鹽相關(guān)的基因被抑制。在高鹽條件下，ROS和ABA信號被激活，導致HMTs/MSs的表達增加，甲硫氨酸的合成顯著增加。一方面，甲硫氨酸通過降低細胞周期、生長素和細胞分裂素信號阻礙根系的生長。另一方面，甲硫氨酸激活ABA合成、轉(zhuǎn)運體和信號轉(zhuǎn)導，提高細胞內(nèi)ABA水平，增加鹽響應基因的表達提高植物的耐鹽性。甲硫氨酸恢復正常水平后，根系的生長恢復到正常，表明甲硫氨酸在維持生長和耐鹽性之間發(fā)揮平衡作用。
氨基酸促進植物生長和抗逆的功能已經(jīng)廣為人知，但是目前對不同氨基酸的具體功能、最佳使用濃度以及調(diào)節(jié)機制的認識仍然有限。通常認為，氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)、激素等生物大分子的基本組成部分，補充外源氨基酸可以增加氨基酸的供應并減少內(nèi)源氨基酸合成對細胞能量的消耗，或者某些氨基酸，如脯氨酸，在維持細胞的滲透平衡方面發(fā)揮作用。該研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下，甲硫氨酸合成基因的表達被激活，導致鹽脅迫下甲硫氨酸含量的增加，甲硫氨酸又能激活ABA合成，增加細胞內(nèi)ABA水平。鹽脅迫下內(nèi)源ABA含量的增加以及外源ABA對鹽耐受性的積極作用被大家熟知。然而，ABA在農(nóng)業(yè)中的直接應用引發(fā)了成本和安全性方面的擔憂。研究人員提出了一個有趣的替代方案，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用甲硫氨酸代替ABA。重要的是，氨基酸的多功能性、豐富的原料來源、低廉的成本和安全性，基于這些特性的氨基酸定制應用將對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。
山東大學博士研究生史本慧和山東省葡萄研究院李科副研究員為論文的共同第一作者。山東大學丁兆軍教授和田會玉教授為論文的通訊作者。山東農(nóng)業(yè)大學的碩士研究生徐蕊，山東大學的張鳳博士，于子鵬副研究員參與了此項工作。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃，山東省泰山學者專項基金；國家自然科學基金，山東省自然科學基金，山東農(nóng)業(yè)科學院高層次人才引進與培養(yǎng)基金，山東省葡萄研究院科研引導基金的資助。（撰稿：李科 核稿：趙紅軍）
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