貴州大學方中明研究組發現胺基酸轉運蛋白可調控水稻分櫱和產量

2021-01-11 BioArt生物藝術

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責編 | 王一

胺基酸類有機氮營養是植物體內最重要的營養物質之一，而胺基酸轉運蛋白在植物生長發育中起重要的胺基酸類營養運輸作用。在我國存在作物產量依賴氮肥過大，由此帶來的環境汙染等問題，給農業可持續發展帶來了巨大的壓力。深入研究胺基酸轉運蛋白在有機氮營養中對各種胺基酸的轉運及對水稻農藝性狀的影響，能為水稻適應不同氮肥環境並減少無機氮的依賴提供理論支撐。

近日，貴州大學農學院方中明教授研究組在Rice發表了題為The amino acid transporter OsAAP4 contributes to rice tillering and grain yield by regulating neutral amino acid allocation through two splicing variants的研究論文。該研究發現了水稻胺基酸轉運家族成員OsAAP4的兩種剪接體主要通過調控不同濃度的中性胺基酸分配，並通過氮代謝和激素途徑正調控水稻分櫱和產量。

該研究發現，水稻胺基酸轉運基因OsAAP4的啟動子序列在秈稻和粳稻之間存在差異，在水稻分櫱芽和基部中基因的表達水平與秈稻、粳稻的分櫱和產量呈正相關。啟動子-GUS染色表明，OsAAP4主要在側根、分櫱芽、葉片、葉鞘、莖和穗中表達。石蠟切片實驗顯示，GUS活性集中在根皮層薄壁細胞，及葉鞘、葉片、莖和幼穗維管組織的木質部和韌皮部中。亞細胞定位實驗表明，OsAAP4兩種剪接體均定位在細胞膜及細胞核中。OsAAP4的兩個不同剪接體在粳稻ZH11中過表達顯著提高了水稻分櫱和產量，RNAi和突變體植株表現出相反的趨勢。

Phenotypic analysis of OsAAP4 transgenic plants in the Japonica ZH11 background grown in Wuhan paddy fields.

利用高效液相色譜實驗對不同階段植株的胺基酸含量測定表明，中性胺基酸纈氨酸、脯氨酸、蘇氨酸和亮氨酸發生了明顯改變。進一步表明，0.5 mM的外源纈氨酸或脯氨酸顯著促進過表達植株OsAAP4a的分櫱芽伸長，而2.0mM的外源纈氨酸或脯氨酸則顯著促進過表達植株OsAAP4b的分櫱芽伸長。另外，原生質體-螢光胺基酸吸收的結果表明，不同濃度的纈氨酸和脯氨酸在這些過表達植株中特異性地運輸和積累。轉錄組分析進一步表明，OsAAP4表達量改變可以通過影響氮素的運輸和代謝，以及生長素、細胞分裂素等激素途徑調控水稻分櫱。

這一研究不僅解析了有機氮營養中胺基酸在水稻生長發育中的調控作用，還為水稻在不同有機氮環境及粳稻高產優質育種實踐中提供可用的基因資源。

該研究由貴州大學農學院方中明實驗室完成。方中明教授為論文的第一作者及通訊作者，其指導的碩士研究生吳博文為論文的共同第一作者。該項目得到了國家自然科學基金、貴州省「千人創新創業人才計劃」、貴州省科技拔尖人才項目、廣東省應用植物學重點實驗室開放課題及國家重點研發計劃項目的支持。

據悉，方中明教授團隊對水稻胺基酸轉運蛋白的調控進行了較為深入的研究，帶領團隊成員吳博文、汪傑、呂凱等曾先後解析了鹼性胺基酸轉運蛋白OsAAP3負調控水稻分櫱和氮利用效率（Lu et al., Plant Biotechnology Journal, 2018）、鹼性及中性胺基酸轉運蛋白OsAAP5負調控水稻分櫱和單株產量 (Wang et al., Plant Physiology, 2019)、中性胺基酸轉運蛋白OsAAP1正調控水稻分櫱（Ji et al., Journal of Experimental Botany, 2020），對有機氮營養中胺基酸及其胺基酸轉運蛋白差異性調控水稻農藝性狀及氮利用效率做出了貢獻。

原文連結：

https://doi.org/10.1186/s12284-020-00446-9

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