低磷高产有可能!生命学院特聘教授何祖华团队解析作物籽粒灌浆和磷利用机制

ON2021-05-05CATEGORY科研进展

4月30日,《自然遗传学》(Nature Genetics在线发表了亚博意甲联赛赞助|首页欢迎您生命科学与技术学院和中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华课题组题为“A plasma membrane transporter coordinates phosphate reallocation and grain filling in cereals”的研究论文,在作物籽粒灌浆、磷素利用和抗病性调控领域取得重大突破

该研究是何祖华课题组继2008年报道灌浆基因GIF1之后的又一项籽粒灌浆相关的重要研究工作,揭示了磷转运蛋白调控籽粒灌浆和磷的再分配过程的重要机制。近些年来,产量和肥料利用率一直是农业生产和育种的主要改良目标。在该项研究中,研究团队首次鉴定了一个PHO1型Pi外运蛋白OsPHO1;2,该转运体可以同时提高作物籽粒灌浆及磷利用率(PUE),为培育低磷条件下高产作物提供了一个重要的目标基因。

籽粒灌浆过程是指受精卵获得碳水化合物和其他营养物质来合成淀粉,充实籽粒的过程,是水稻、玉米等禾本科作物产量的重要限速步骤。籽粒灌浆的好坏直接影响作物产量和品质。该研究从自然变异的水稻种质资源中通过图位克隆的方式发掘到了第二个调控籽粒灌浆的关键基因OsPHO1;2,该基因编码PHO1类型的磷转运蛋白。

已有研究表明,OsPHO1;2能够介导苗期根-茎组织之间的磷转运,然而没有任何直接证据表明PHO1型蛋白是磷转运蛋白。该研究运用膜片钳系统首次证明OsPHO1;2具有磷转运活性。核磁共振波谱分析表明OsPHO1;2不参与细胞内胞质和液泡之间的无机磷移动。

 研究发现玉米同源基因ZmPHO1;2也能够调控玉米籽粒灌浆和磷的再分配过程,表明PHO1家族蛋白介导的籽粒灌浆调控过程在谷类作物中高度保守。更重要的是,研究发现在水稻中过表达OsPHO1;2基因能够适度降低籽粒中的无机磷和总磷含量,促进AGPase酶活增加并增加单株产量,特别是在低磷条件下,过表达株系始终维持高产性状,证明该策略可以提高磷利用率。该研究首次将磷转运、籽粒灌浆和磷利用效率三者紧密结合在一起,对生产中面临的籽粒充实度和品质改良有重要育种指导意义,也为提高磷肥利用效率提供了有效的的育种靶标。


OsPHO1;2可促进作物增产,提高磷利用率


该项研究工作以亚博意甲联赛赞助|首页欢迎您为第一完成单位,亚博意甲联赛赞助|首页欢迎您特聘教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员何祖华,加州大学伯克利分校教授栾升和中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员唐威华为共同通讯作者。何祖华课题组博士研究生马斌、扬州大学教授张林、加州大学伯克利分校博士后高起飞和浙江省农科院作核所研究员王俊敏为共同第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、中科院战略先导B项目、植物分子遗传国家重点实验室等项目的资助。

文章链接:https://dx.doi.org/10.1038/s41588-021-00855-6