兰州大学研究团队解析利用旱生植物抗逆基因增强紫花苜蓿抗逆性并提高其产量的作用机制
紫花苜蓿(Medicago sativa)在畜牧业生产中发挥着十分关键的作用，我国约70%的紫花苜蓿种植区分布于干旱半干旱的北方五省(区)。然而，现有大多数紫花苜蓿主栽品种的耗水量高、抗逆能力较弱，只有在具备灌溉条件的优良耕地上种植才能实现高产优质，其种植面积的扩大势必造成与粮争地、争水的现实矛盾。因此，亟待培育适宜在我国北方干旱、盐碱化及贫瘠的边际土地上种植的紫花苜蓿新品种。
兰州大学草地农业科技学院、草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室王锁民/马清教授团队践行任继周院士倡导的“道法自然、日新又新”院训精神，长期致力于解析我国西北荒漠区乡土植物独特的逆境适应机制，并挖掘其优异抗逆基因资源用于优良牧草和农作物的遗传改良。蒺藜科多浆旱生植物霸王(Zygophyllum xanthoxylum)具有极强的抗旱、耐热、耐盐及耐土壤贫瘠的能力。该团队前期研究表明，将根系吸收的大量Na+转运至叶并储存于发达的液泡中作为廉价的渗透调节剂，以增强其肉质化叶片的“储水”能力是霸王适应逆境的关键机制(Ma et al. Tree Physiology, 2012, 32: 4-13)。基于此，团队成功将霸王液泡膜Na+ (K+)/H+逆向转运蛋白ZxNHX1和为其提供质子驱动力的ZxVP1-1编码基因聚合导入紫花苜蓿，创制出抗逆且高产的紫花苜蓿新种质(Bao et al. Plant Biotechnology Journal, 2016, 14: 964-975)。然而，霸王ZxNHX1提高植物抗逆性和产量的作用机制尚待解析。
近日，王锁民/马清教授团队在生物学期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“ZxNHX1 from a xerophyte outperforms AtNHX1 in sequestering Na+ into vacuoles to enhance plant stress resistance and yield”的研究论文，该研究系统揭示了霸王ZxNHX1在提高植物抗逆性和产量方面优于甜土植物拟南芥AtNHX1的节能型渗透调节机制。
图1. 盐处理下转ZxNHX1和AtNHX1紫花苜蓿株系的生长表型
研究团队发现，盐胁迫下转ZxNHX1紫花苜蓿株系的长势明显优于转AtNHX1株系(图1)。利用酵母异源表达系统的分析表明，ZxNHX1具有比AtNHX1更强的Na+/H+交换活性，而AtNHX1则表现出更强的K+/H+交换活性(图2)。
图2. 盐处理下转ZxNHX1和AtNHX1酵母菌株的生长表型及Na+、K+转运活性
图3. 低钾条件下转ZxNHX1和AtNHX1拟南芥株系的生长表型、生物量及地上部Na+、K+含量
进一步在拟南芥atnhx1-1突变体中的分析发现，超表达ZxNHX1与AtNHX1均可回补atnhx1-1的盐敏感表型；但与转AtNHX1的株系相比，转ZxNHX1株系表现出更优的长势和更高的生物量、其体内积累了更多的Na+，而前者则积累了更多的K+，特别是在低K+条件下更为突出(图3)。与转AtNHX1株系将更多的K+区域化至液泡中不同，转ZxNHX1株系具有更强的液泡Na+区域化能力、使K+保留在细胞质中(图4)。液泡中高浓度的Na+和细胞质中高浓度的K+可作为廉价的渗透调节剂以部分替代相容性的有机溶质，从而赋予植株较强的耐盐性和更高的生物量。
图4. 转ZxNHX1和AtNHX1的拟南芥株系叶细胞中的Na+、K+分布特征
研究还发现，ZxNHX1通过调节根系木质部Na+装载和卸载相关基因的表达，在整株水平上调控Na+的吸收和转运，而AtNHX1则主要影响K+的吸收与转运。基于上述结果，提出了盐处理下ZxNHX1与AtNHX1功能差异的模型图(图5)。此外，研究团队发现，位于ZxNHX1第八个跨膜区的苏氨酸(Thr265)是影响其Na+、K+选择性的关键氨基酸残基。
图5. ZxNHX1在提高植物抗逆性和产量方面优于AtNHX1的节能型渗透调节机制的模型图
综上，荒漠植物霸王ZxNHX1介导的Na+和K+在细胞胞质和液泡间的优化分布确保了节能型的渗透调节；其能使植物利用丰富的Na+作为廉价的渗透调节剂，将Na+的潜在毒害作用转化为促进生长的有益效应，在增强植物抗逆性和提高产量方面显著优于拟南芥AtNHX1，这为优良牧草和农作物抗逆性的遗传改良提供了优异的基因资源，并在盐碱化边际土地利用方面具有重要的应用价值。
兰州大学博士研究生刘海双和刘琴为该论文的共同第一作者，王锁民教授和马清教授为共同通讯作者。美国加州大学伯克利分校Sheng Luan (栾升)教授、加拿大卡尔顿大学Shelley R. Hepworth教授、英国苏塞克斯大学Timothy J. Flowers教授、以及兰州大学草地农业科技学院包爱科教授和尹红菊副教授等为该项工作做出了重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和甘肃省政府国资委关键核心技术攻关项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70163
原文链接 | 兰州大学研究团队解析利用旱生植物抗逆基因增强紫花苜蓿抗逆性并提高其产量的作用机制
编辑 | 王文乐
责任编辑 | 彭倩