脫落酸長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)纳飳W(xué)意義和分子機(jī)制解析

欽 鵬，張國(guó)華，胡彬華，李仕貴

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，成都 611130）

水稻是全世界一半以上人口的主食，其產(chǎn)量直接影響世界糧食安全。隨著全球氣候變暖，每年因溫度升高造成世界水稻產(chǎn)量損失達(dá)到25%以上[1-2]。水稻灌漿期極易遭遇夏季高溫危害，導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收。解析高溫影響水稻灌漿的分子機(jī)制，對(duì)培育耐高溫水稻新品種，確保水稻高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)具有重要意義。

脫落酸（abscisic acid，ABA）作為調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫反應(yīng)的重要植物激素，其組織間的長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)現(xiàn)象早在半個(gè)世紀(jì)前被發(fā)現(xiàn)[3]。在近半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，ABA長(zhǎng)距離運(yùn)輸在多個(gè)物種中進(jìn)行了廣泛的研究[4-8]，但由于缺乏直接的遺傳學(xué)材料，其長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)的生物學(xué)意義至今仍未有明確定論。在調(diào)控ABA長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制方面，盡管在擬南芥和水稻中克隆了幾個(gè)參與ABA細(xì)胞水平轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白[9-13]，但ABA長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制目前完全不清楚。

筆者8年前在雜交稻骨干親本蜀恢527的EMS誘變突變體庫(kù)中獲得一份水稻籽粒灌漿缺陷突變體，命名為 dg1（defective grain-filling 1）。與野生型相比，該突變體表現(xiàn)為灌漿時(shí)間延長(zhǎng)27 d，并有24.68%種子不能完全填充（圖1）?；蚨ㄎ话l(fā)現(xiàn)LOC_Os03g12790基因中的一個(gè)導(dǎo)致蛋白提前終止的單堿基突變與表型完全連鎖。該基因編碼一個(gè)MATE（multidrug and toxic compound extrusion）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，基因敲除和互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)表明該MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的突變導(dǎo)致了突變體dg1籽粒灌漿缺陷表型。由于擬南芥ABA合成缺陷突變體表現(xiàn)出與dg1類似的種子發(fā)育缺陷表型，因此推測(cè)DG1蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)底物為ABA。筆者首先利用非洲爪蟾卵母細(xì)胞系統(tǒng)和3H-ABA在水稻原生質(zhì)體轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)證實(shí)了DG1蛋白具有外排ABA活性。亞細(xì)胞定位發(fā)現(xiàn)DG1主要定位在細(xì)胞膜上，該結(jié)果再次支持DG1具有外排ABA活性的結(jié)論。

圖1 dg1突變體種子灌漿缺陷表型Figure 1 The defective grain filling phenotype of dg1

為確認(rèn)dg1灌漿缺陷是否由于穎果中ABA含量降低導(dǎo)致，筆者測(cè)定了野生型和dg1突變體穎果，以及同時(shí)期莖稈和葉片中的ABA含量，發(fā)現(xiàn)與野生型相比，dg1穎果中ABA含量顯著低于野生型，但葉片和莖稈中的ABA含量卻高于野生型?；诖私Y(jié)果，筆者大膽推測(cè)穎果中的ABA主要來(lái)源于葉片。為了驗(yàn)證該猜想，筆者測(cè)定了ABA合成前體，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)ABA合成前體位于葉片中，并且含量在野生型和dg1無(wú)明顯差異；結(jié)合了葉片3H-ABA feeding實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)到達(dá)dg1穎果和莖稈的3H-ABA比例顯著低于野生型；利用免疫熒光實(shí)驗(yàn)分析了DG1在節(jié)中的表達(dá)位置，發(fā)現(xiàn)了DG1主要位于擴(kuò)大維管束和擴(kuò)散維管束間的薄壁細(xì)胞特異表達(dá)，該類細(xì)胞對(duì)影響物質(zhì)從葉片到穎果的長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要作用。綜上，筆者從遺傳學(xué)、生理學(xué)、組織細(xì)胞學(xué)角度揭示了水稻穎果中多數(shù)ABA來(lái)源于葉片，闡明了該長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)受DG1調(diào)控的分子機(jī)制。

同時(shí)筆者意外發(fā)現(xiàn)高溫下dg1具有更強(qiáng)的灌漿缺陷表型。通過(guò)可控溫度下的遺傳表型，表達(dá)量分析和莖稈3H-ABA feeding等實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了高溫度下dg1灌漿缺陷表型更明顯；發(fā)現(xiàn)了高溫下野生型與dg1穎果中的3H-ABA比例的差異遠(yuǎn)高于溫和溫度下二者的差異。另外，一系列表達(dá)分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ABA可激活多個(gè)淀粉合成關(guān)鍵基因的表達(dá)，從而促進(jìn)水稻籽粒灌漿充實(shí)。

綜上所述，該研究闡明了水稻擁有一套從葉片到穎果的ABA長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，揭示了MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白DG1調(diào)控該系統(tǒng)的分子機(jī)制，明確了ABA長(zhǎng)距離運(yùn)輸響應(yīng)溫度從而確保不同溫度下種子正常發(fā)育的生物學(xué)意義（圖2）。

圖2 DG1蛋白調(diào)控水稻ABA長(zhǎng)距離運(yùn)輸及穎果發(fā)育模式圖Figure 2 A model illustrating the function of leaf-derived ABA in regulating seed development by DG1 in rice