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PNAS | 仅改造一个酶,即可提高温胁迫下玉米籽粒产量

点击次数:407 发布时间:2020-12-18

据估算,到2050年人口将达到约97亿,按目前的消费水平,谷物产量需要增加50%才满足对粮食的需求【1,2】。玉米Zea mays L.是重要的谷类作物之一,占世界粮食产量的42%【3】。随着气候变化,作物发生非生物和生物胁迫的频率增加,预计将导致谷物单产降低,而且已有的研究表明,高温胁迫已经影响了欧洲的玉米产量【4】。研究发现,高温影响玉米籽粒的数量,并加速籽粒的发育,终导致玉米籽粒数量和重量降低【5】

 

淀粉是玉米粒中的存储分子,对玉米产量形成至关重要,但其合成对高温胁迫敏感。叶绿体定位的6-磷酸葡糖酸脱氢酶(6PGDH)对胚乳中的淀粉积累是必需的。在玉米中有三个同工酶,PGD1、PGD2 和PGD3。胞质定位的PGD1和PGD2具有一定的热稳定性,而在热胁迫条件下,质体定位的PGD3活性不稳定,因此通过改变PGD3的热稳定性是减少高温胁迫导致玉米产量降低的潜在策略。

 

2020年12月15日,佛罗里达大学A. Mark Settles团队PNAS发表了题为Engineering 6-phosphogluconate dehydrogenase improves grain yield in heat-stressed maize的研究论文。该研究发现,在玉米胚乳质体中表达温度稳定形式的PGD3可提高热胁迫下籽粒的产量。

 

从中枢代谢进入胚乳淀粉的大部分葡萄糖来源于糖酵解和PPP循环。6PGDH催化PPP氧化阶段(oxPPP)的后一步,生成核糖5-P和NADPH。在细胞质和质体基质中都发现了oxPPP酶,包括6PGDH(PGD1, PGD2和PGD3)。该研究发现,定位在细胞质中PGD1和PGD2活性丧失之后不会明显影响籽粒发育,而质体定位的PGD3是玉米粒发育所必需的6PGDH同工酶。

 

该研究通过一系列生化、分子和遗传学分析发现,热处理降低了PGD3的酶活性。将靶向叶绿体肽编码序列Waxy1融合到Pgd1Pgd2的开放阅读框中,可实现在玉米淀粉质体中表达热稳定的PGD3。研究发现,大多数转基因株系6PGDH酶活性增加,而且Wpgd转基因可完全恢复一部分纯合pgd3突变体的胚乳缺陷,进而发育出正常的谷粒。产量分析发现,Wpgd转基因降低了高温胁迫引起的籽粒产量损失,使籽粒产量增加> 35%。

总之,该研究通过改造PGD3,使之定位在正确的亚细胞区室中,以表达耐热形式的酶。在田间高温胁迫期间,玉米发育出更多的籽粒。这种改良可作为降低气候变化造成的产量损失的综合方法之一。

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