PBJ | 陈良碧/杨远柱/栾升合作揭示转录因子OsNAC25调控水稻响应低钾胁迫的分子机制

学术   2024-12-20 10:09   湖北  


钾(K)是植物生长发育所必需的矿质元素,在植物细胞的生命活动及植物抗逆中发挥至关重要的作用。水稻是我国的主要粮食作物之一,其产量和品质深受缺钾影响。我国大约有一半左右的耕地缺钾,南方稻区土壤缺钾现象尤为严重,因此需要大量施用钾肥以保障水稻高产稳产。钾肥的施用对水稻产量和全球粮食安全做出了重大贡献,但过量施用钾肥导致水体富营养化,加速环境污染。因此提高水稻钾利用效率(KUE)对农业可持续发展极其重要。而挖掘调控水稻耐低钾的关键基因,阐明其响应低钾胁迫的分子机制,对提高水稻钾利用效率,培育耐低钾水稻品种及保障我国粮食安全具重要意义。


NAC(NAM,ATAF和CUC)是植物特有的转录因子家族之一,在植物生长发育及植物对多种逆境的响应中发挥重要作用。但迄今为止,NAC家族在植物低钾响应调控中的作用尚不清楚。


近日,植物学国际权威期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了湖南师范大学陈良碧/毛丹丹、湖南隆平高科亚华种业研究院杨远柱、加州大学伯克利分校栾升研究组合作的最新研究成果“The transcription factor OsNAC25 regulates potassium homeostasis in rice”,该研究鉴定出一个调控水稻响应低钾胁迫的关键NAC家族成员OsNAC25,并报道其通过调控阴离子通道OsSLAH3的表达,来调节水稻根部钾离子吸收速率以响应低钾胁迫的分子机制。


水稻中存在151个NAC成员,含有8个串联排列的NAC基因簇,其中在11号染色体上存在一个由4个基因(OsNAC025, OsNAC127, OsNAC128 and OsNAC129)串联排列的基因簇。大田测试发现OsNAC025的突变植株在低钾条件下出现植株矮小、长势缓慢的表型,而高钾供应能恢复该表型,暗示OsNAC025可能参与调控水稻对低钾胁迫的响应。


表达模式分析显示OsNAC25主要定位于细胞核,在水稻根部大量表达,其表达受低钾胁迫的诱导。OsNAC25的过表达增强低钾胁迫下根部钾离子吸收速率,提高水稻体内的钾离子含量及水稻地上和地下部分的生物量,从而增强水稻对低钾胁迫的耐受性。而OsNAC25功能的缺失降低了水稻根部钾离子吸收速率,引起水稻体内钾离子含量及水稻地上和地下部分的生物量减少,从而导致水稻对低钾胁迫敏感(图1)。进一步研究发现低钾胁迫下,OsNAC25能够绑定到阴离子通道OsSLAH3的启动子,通过调控其表达来调节水稻体内钾离子稳态。


     利用3475份水稻材料对OsNAC25进行自然变异分析,结果显示OsNAC25在粳稻驯化过程中受到选择。单倍型分析显示携带OsNAC25Hap 1和OsNAC25Hap 4是主要的低钾耐受基因型。携带OsNAC25Hap 1和OsNAC25Hap 4的水稻材料中,OsNAC25的表达水平较高,因此相比携带其它单倍型的水稻材料,携带OsNAC25Hap 1和OsNAC25Hap 4的水稻材料对低钾胁迫的耐受能力更强(图2)。另外,研究发现OsNAC25基因组的高频变异导致了粳稻和籼稻对低钾耐受能力的差异,OsNAC25的粳稻基因型Hap 1能显著提高籼稻9311的低钾耐受能力。



综上所述,该研究揭示了水稻OsNAC25通过调控阴离子通道OsSLAH3的表达,来调节水稻根部钾离子吸收速率以响应低钾胁迫的分子机制。并发现携带OsNAC25Hap 1和OsNAC25Hap 4是主要的低钾耐受基因型。研究结果将为培育低钾耐受水稻新品种提供新策略和基因资源。


图1 Osnac25突变体在不同钾离子浓度下的生长

图2 OsNAC25的自然变异分析



湖南师范大学硕士研究生王晨为本文第一作者,湖南师范大学陈良碧教授、毛丹丹副教授、湖南隆平高科亚华种业科学研究院杨远柱研究员、加州大学伯克利分校栾升教授为本文共同通讯作者。湖南隆平高科亚华种业科学研究院王凯研究员、傅军助理研究员,湖南省农科院柏斌副研究员,吉首大学田向荣教授参与指导。该研究得到湖南省自然科学基金等项目的资助。


原文链接:
https://doi.org/10.1111/pbi.14550
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