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                PNAS | 僅改造一個酶,即可提高溫脅迫下玉米籽粒產量

                點擊次數:255 發布時間:2020-12-18

                據估算,到2050年人口將達到約97億,按目前的消費水平,谷物產量需要增加50%才滿足對糧食的需求【1,2】。玉米Zea mays L.是重要的谷類作物之一,占世界糧食產量的42%【3】。隨著氣候變化,作物發生非生物和生物脅迫的頻率增加,預計將導致谷物單產降低,而且已有的研究表明,高溫脅迫已經影響了歐洲的玉米產量【4】。研究發現,高溫影響玉米籽粒的數量,并加速籽粒的發育,終導致玉米籽粒數量和重量降低【5】。

                 

                淀粉是玉米粒中的存儲分子,對玉米產量形成至關重要,但其合成對高溫脅迫敏感。葉綠體定位的6-磷酸葡糖酸脫氫酶(6PGDH)對胚乳中的淀粉積累是必需的。在玉米中有三個同工酶,PGD1、PGD2 和PGD3。胞質定位的PGD1和PGD2具有一定的熱穩定性,而在熱脅迫條件下,質體定位的PGD3活性不穩定,因此通過改變PGD3的熱穩定性是減少高溫脅迫導致玉米產量降低的潛在策略。

                 

                2020年12月15日,佛羅里達大學A. Mark Settles團隊PNAS發表了題為Engineering 6-phosphogluconate dehydrogenase improves grain yield in heat-stressed maize的研究論文。該研究發現,在玉米胚乳質體中表達溫度穩定形式的PGD3可提高熱脅迫下籽粒的產量。

                 

                從中樞代謝進入胚乳淀粉的大部分葡萄糖來源于糖酵解和PPP循環。6PGDH催化PPP氧化階段(oxPPP)的后一步,生成核糖5-P和NADPH。在細胞質和質體基質中都發現了oxPPP酶,包括6PGDH(PGD1, PGD2和PGD3)。該研究發現,定位在細胞質中PGD1和PGD2活性喪失之后不會明顯影響籽粒發育,而質體定位的PGD3是玉米粒發育所必需的6PGDH同工酶。

                 

                該研究通過一系列生化、分子和遺傳學分析發現,熱處理降低了PGD3的酶活性。將靶向葉綠體肽編碼序列Waxy1融合到Pgd1Pgd2的開放閱讀框中,可實現在玉米淀粉質體中表達熱穩定的PGD3。研究發現,大多數轉基因株系6PGDH酶活性增加,而且Wpgd轉基因可完全恢復一部分純合pgd3突變體的胚乳缺陷,進而發育出正常的谷粒。產量分析發現,Wpgd轉基因降低了高溫脅迫引起的籽粒產量損失,使籽粒產量增加> 35%。

                總之,該研究通過改造PGD3,使之定位在正確的亞細胞區室中,以表達耐熱形式的酶。在田間高溫脅迫期間,玉米發育出更多的籽粒。這種改良可作為降低氣候變化造成的產量損失的綜合方法之一。

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