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核心提示:中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物基因組學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室儲成才研究組對380多份水稻早衰突變體進(jìn)行大規模篩選,獲得一批NO含量改變的葉片細胞死亡突變體。
葉片是植物主要的光合器官,是植物生長(cháng)能量和有機物質(zhì)的主要來(lái)源地。以水稻為例,籽粒灌漿所需營(yíng)養物質(zhì)的60%~80%來(lái)自葉片光合作用。因此,葉片的功能直接影響作物的最終產(chǎn)量和品質(zhì)。研究表明,成熟期水稻功能葉片每延遲1天衰老,可增產(chǎn)1%左右。因此,研究葉片細胞死亡的分子機制具有重要的理論和實(shí)踐意義。
葉片細胞死亡過(guò)程既受病原菌入侵、干旱、營(yíng)養缺乏、極端溫度、紫外線(xiàn)等外部因素影響,又受到如ABA、SA、JA、乙烯、細胞分裂素等植物激素及活性氮(RNS)和活性氧(ROS)等其他小活性分子的調節。其中,一氧化氮(NO)是最重要的活性氮分子之一,廣泛參與動(dòng)植物生長(cháng)發(fā)育和對逆境的耐受性。然而,對NO/RNS在水稻葉片死亡中的作用機制研究甚少。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物基因組學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室儲成才研究組對380多份水稻早衰突變體進(jìn)行大規模篩選,獲得一批NO含量改變的葉片細胞死亡突變體。該團隊對NO大量積累的突變體noe1(nitric oxide excess 1)的研究表明,強光條件下,水稻葉片中ROS清除劑過(guò)氧化物酶(Catalase)功能缺失,導致以H2O2為主的ROS濃度升高,誘導NO產(chǎn)生并引起多個(gè)調控程序化細胞死亡(PCD)蛋白質(zhì)的亞硝基化修飾,促進(jìn)細胞死亡,這為RNS參與ROS誘導的細胞死亡過(guò)程提供了全新的注釋?zhuān)≒lant Physiology,2012)。對另一NO積累突變體noe2的研究顯示,與noe1完全不同的葉片細胞死亡的分子機理。NOE2編碼一個(gè)含有NB-ARC結構域的蛋白RLS1(Rapid Leaf Senescence 1),是一類(lèi)抗性(Resistance,R)蛋白。植物R蛋白識別病原體后的典型特征之一是引起超敏反應(Hypersensitive Response,HR)型細胞死亡,同時(shí)伴隨著(zhù)ROS和RNS的積累。然而,目前對這一過(guò)程的分子機制知之甚少。進(jìn)一步研究發(fā)現,RLS1功能獲得突變(RLS1-D)觸發(fā)了水稻中強光依賴(lài)的類(lèi)超敏反應型細胞死亡(high-light dependent HR-like cell death),且不依賴(lài)水楊酸(SA)的積累及NPR1(Nonexpressor of Pathogenesis Related Gene 1)活性和RAR1(Required for Mla12 Resistance 1)的功能。研究通過(guò)對RLS1激活抑制子(suppressors of RLS1 activation)的篩選,克隆到Root Meander Curling(RMC)基因。RMC編碼一個(gè)富含半胱氨酸的受體類(lèi)分泌蛋白(Cysteine-rich Receptor-like Secreted Protein,CRRSP),并作為RLS1結合蛋白發(fā)揮作用。RLS1和RMC共同表達導致亞細胞定位模式的改變,觸發(fā)細胞死亡過(guò)程,致使抗氧化酶APX1活性降低,從而揭示了NB-ARC-CRRSP信號模塊調節水稻細胞氧化狀態(tài)、細胞死亡過(guò)程和相關(guān)免疫反應。
10月5日,相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表在Plant Communications(DOI:10.1016/j.xplc.2022.100459)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。