華南農(nóng)業(yè)大學生命科學學院研究員彭新湘、教授朱國輝、副研究員張智勝團隊在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助下，研究揭示了光合作用和光呼吸代謝調(diào)控的新機制，為作物高光效和抗性育種提供了新思路。相關(guān)成果近日發(fā)表于《新植物學家》（New Phytologist）和《植物生理學》（Plant Physiology）。
光合作用是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物90%以上的干物質(zhì)直接來源于此，提升光合效率是作物增產(chǎn)的關(guān)鍵途徑。光呼吸是伴隨光合作用發(fā)生的一個物質(zhì)與能量消耗性過程，但在漫長的演化歷程中，它已成為植物維持基礎(chǔ)代謝和氧化還原平衡所必需的代謝途徑。因此，闡明光合與光呼吸的精細調(diào)控機制，對提高作物光合效率、抗逆性和最終產(chǎn)量至關(guān)重要。
研究團隊為發(fā)掘高光效基因，利用擬南芥Fd-GOGAT突變體glu1構(gòu)建了突變體庫，并篩選到表型恢復突變體rog1。基因克隆證實ROG1編碼ABA合成關(guān)鍵酶ABA2，揭示了ABA在調(diào)節(jié)氮素利用和光合作用中的關(guān)鍵功能。研究發(fā)現(xiàn)，ABA對光合作用的抑制作用依賴于ABA信號通路上轉(zhuǎn)錄因子ABI5。機制研究表明，ABI5作為轉(zhuǎn)錄抑制因子，能夠直接結(jié)合關(guān)鍵碳同化基因和氮同化基因的啟動子，抑制其轉(zhuǎn)錄活性。
研究進一步評估了靶向ABI5的應用潛力：在擬南芥中，abi5-8突變體在正常條件下Rubisco最大羧化速率提升32%，單株生物量和種子產(chǎn)量分別增加16%和37%。在水稻田間實驗中，osabi5突變體光合速率提高7-16%，光合氮利用效率提高13-19%，單株生物量和產(chǎn)量分別增加13-14%和10-18%。后續(xù)可利用基因編輯技術(shù)微調(diào)ABI5基因的表達，進一步評估其在作物高光效育種中的應用價值。該研究首次揭示了ABA通過ABI5協(xié)同負調(diào)控碳氮同化、抑制光合作用的新機制，而降低ABI5表達可顯著提升擬南芥和水稻光合效率、生物量和產(chǎn)量，為農(nóng)作物增產(chǎn)提供了新的思路。相關(guān)成果發(fā)表于《新植物學家》。
團隊前期發(fā)現(xiàn)乙醇酸氧化酶與過氧化氫酶的互作/解離（以下簡稱GC開關(guān)）調(diào)控光呼吸過氧化氫水平，此過程受到水楊酸（SA）調(diào)節(jié)，但內(nèi)在分子機制并不清楚。該研究發(fā)現(xiàn)，在水稻過氧化物酶體中可檢測到硫化氫的存在，且定位于過氧化物體的乙醇酸氧化酶與過氧化氫酶均存在過硫化修飾，而SA能促進這種修飾。利用可視化工具材料等體內(nèi)實驗表明，硫化氫可在植株與細胞水平快速降低乙醇酸氧化酶-過氧化氫酶相互作用；表面等離子共振等實驗證實硫化氫在體外同樣可誘導乙醇酸氧化酶-過氧化氫酶發(fā)生解離，表明硫化氫可作為GC開關(guān)的直接調(diào)控因子。蛋白關(guān)鍵位點研究發(fā)現(xiàn)：乙醇酸氧化酶蛋白Cys344位點的過硫化修飾調(diào)控GC開關(guān)，且不影響其酶活性；而過氧化氫酶蛋白Cys230位點的過硫化修飾會抑制其自身活性，但不影響GC開關(guān)狀態(tài)。
此外，外源硫化氫能誘導過氧化物體的氧化態(tài)，且與乙醇酸同時處理具有協(xié)同效應，表明硫化氫與SA類似，可在短時間內(nèi)快速誘導光呼吸過氧化氫信號。研究還揭示了一個重要的反饋調(diào)節(jié)機制：乙醇酸氧化酶與過氧化氫酶的過硫化促進光呼吸過氧化氫產(chǎn)生，而高水平過氧化氫又會反饋降低二者的過硫化水平，從而恢復GC開關(guān)狀態(tài)和過氧化氫酶活性，避免過氧化氫的持續(xù)積累。該研究完善了“SA-GC開關(guān)-過氧化氫”的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為深入理解SA、硫化氫與過氧化氫的交叉對話及其氧化還原調(diào)控機制提供了新的認知，也為未來利用該通路調(diào)節(jié)植物抗逆性奠定了理論基礎(chǔ)。
相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1111/nph.70409
https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf369
本文鏈接：新研究揭示光合與光呼吸調(diào)控新機制http://www.sq15.cn/show-11-25751-0.html
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