南京农业大学钟山青年研究员第一作者在Nature Communications发文揭示蒸腾流调控水稻籽粒钙积累新机制
学术
2024-10-30 14:06
法国
钙是维持植物和人类健康不可或缺的营养成分。成人每日建议摄取800至1300毫克的钙，但全球大约有一半的人未能达到这一标准。钙缺乏与包括儿童佝偻病、老年人骨质疏松症在内的多种慢性疾病紧密相关，还可能关联到高血压和某些类型的癌症。作为世界半数以上人口的主要粮食来源，稻米的钙含量却相对较低。因此，提升稻米中的钙含量对于改善人们的钙摄入量，对抗因矿物质营养素不足导致的“隐形饥饿”具有重要价值。近日，南京农业大学黄新元教授团队在Nature Communications上在线发表了题为“A chloroplast localized heavy metal-associated domain containing protein regulates grain calcium accumulation in rice”的研究论文，这项研究通过数量性状位点(QTL)定位技术，成功克隆了一个主要负责稻米籽粒中钙含量的基因——GCSC1，并揭示了它通过调节叶片的水分蒸发来影响钙在稻米生长期间从叶片到稻穗之间的分配，最终影响籽粒内钙积累的分子机制。钙离子(Ca2+)作为细胞内重要的信号传递者，其在细胞内部的移动规律已被广泛了解。然而，关于钙在植物体内长距离传输的具体机制，特别是它如何在稻米籽粒中累积的过程，仍然知之甚少。基于之前对控制稻米籽粒中铜和钼含量的关键基因的研究成果（Huang et al., Nat Commun 2016; Huang et al., New Phytol 2019），研究团队利用籽粒中钙和与其化学性质相近的锶的含量作为筛选指标，通过QTL定位克隆到了控制稻米籽粒钙和锶含量的主要基因GCSC1。研究显示，此基因编码一种含有重金属结合域(HMA)的蛋白质，能形成同源四聚体并展现钙离子转运能力。GCSC1蛋白定位于叶绿体膜上，可能参与调控钙离子从叶绿体向外排放的过程。实验表明，当GCSC1基因被敲除后，叶绿体内的钙离子外排显著减少，导致叶绿体内钙浓度上升。这种钙浓度的升高在叶绿体中触发了活性氧(ROS)的累积，促使气孔关闭，减少了叶片的蒸发速率。由于蒸发作用是钙从根部向上输送及在不同组织间分配的主要推动力，因此，GCSC1基因突变体的叶片蒸发率下降导致更多钙被输送到穗部，从而提高了籽粒中的钙含量。此外，研究者还发现了能增强稻米籽粒钙积累的GCSC1优良等位基因，这为开发富含钙的新品种稻米提供了宝贵的遗传资源。目前，这些优良等位基因已被用于培育新的全谷物食用黑米品种。总之，这项研究不仅揭示了GCSC1通过调节叶绿体内钙浓度，影响活性氧积累，改变气孔开合状态和蒸发速率，最终影响钙在叶片与穗部之间分配的机制，而且为理解钙在植物体内的长距离运输提供了理论依据，并为开发功能性富钙稻米新品系提供了重要的基因资源。南京农业大学资源与环境科学学院钟山青年研究员刘桓博士为该论文第一作者，黄新元教授为通讯作者。赵方杰教授、唐仲副教授、植物保护学院赵春青教授、美国达特茅斯学院Mary Lou Guerinot教授、英国诺丁汉大学David Salt教授参与了该研究。研究工作得到了农业生物育种国家科技重大专项、中央高校优秀青年团队项目、国家自然科学基金面上项目和南京农业大学三亚研究院自主创新项目的资助。![]()
