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PBJ | 湖南师大陈良碧/毛丹丹与隆平高科杨远柱/傅军合作揭示β-酮脂酰-酰基载体蛋白合酶KASI调控水稻响应低温胁迫的新机制

发布人:日期:2024年03月25日 09:55浏览数:

水稻是我国主要的粮食作物之一,起源于热带、亚热带地区。作为喜温作物,水稻的生长发育对低温胁迫极其敏感,因此水稻对低温的耐受性是其生产力和地理分布的重要决定因素。随着极端低温气候的频繁出现,全球水稻种植区域的限制以及人口日益增长带来的粮食危机,培育耐受低温水稻新品种是当前水稻产业的迫切需求。因此,挖掘调控水稻响应低温胁迫的关键基因,解析水稻响应低温胁迫的分子机制,将为培育耐受低温水稻新品种提供理论基础和基因资源。

植物细胞膜系统,尤其质膜和叶绿体膜对环境变化非常敏感,是环境温度变化最初的感受器和传感器。脂肪酸作为植物体内的能量物质和膜系统必要的组成成分,在植物生长发育和应对环境胁迫方面发挥着重要的作用。但迄今为止有关植物脂肪酸代谢响应低温胁迫的分子机制尚不清楚。

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/毛丹丹研究组与湖南隆平高科亚华种业科学研究院杨远柱/傅军研究组合作的最新研究成果“OsKASI-2 is required for the regulation of unsaturation levels of membrane lipids and chilling tolerance in rice”,该研究报道了水稻β-酮脂酰-酰基载体蛋白合酶OsKASI-2通过调控膜脂不饱和度,以调节低温条件下生物膜结构的稳定及水稻对低温的耐受能力。

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研究发现OsKASI-2编码定位于叶绿体的β-酮脂酰-酰基载体蛋白合酶(KASI)。OsKASI-2在水稻叶片和花药中大量表达,其表达受低温胁迫的诱导。OsKASI-2的过表达能够增强脂肪酸合成中β-酮脂酰-酰基载体蛋白合酶(KASI)的活性,进而提高脂肪酸的不饱和度,促进低温胁迫下生物膜的稳定性,从而增强水稻对低温胁迫的耐受能力。而OsKASI-2功能的缺失降低了KASI的酶活,进而降低了低温胁迫下脂肪酸的不饱和度及生物膜的稳定性,从而使得水稻对低温胁迫敏感。

利用3475份水稻材料对OsKASI-2进行自然变异分析,结果显示OsKASI-2基因在粳稻驯化过程中受到选择。OsKASI-2基因组的高频变异导致了籼稻和粳稻对低温耐受能力的差异。单倍型分析显示OsKASI-2HAP1是主要的低温耐受基因型。根据单倍型随机挑选87份水稻材料进行低温耐受能力检测,实验结果验证上述结论。携带OsKASI-2HAP1的水稻材料中,OsKASI的表达水平及OsKASI酶活较高,因此相比携带其它单倍型的水稻材料,携带OsKASI-2HAP1的水稻材料对低温胁迫的耐受能力更强。

综上所述,该研究揭示了水稻β-酮脂酰-酰基载体蛋白合酶(KASI)通过调控KASI酶活及脂肪酸的不饱和度来响应低温胁迫的分子机制(图1)。研究结果为培育耐受低温水稻新品种提供了新策略和潜在的靶基因。

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图1 OsKASI-2的工作模式图

湖南师范大学陈良碧教授、毛丹丹副教授和湖南隆平高科亚华种业科学研究院傅军助理研究员为本文共同通讯作者。湖南隆平高科亚华种业科学研究院杨远柱研究员参与指导该研究。湖南师范大学已毕业博士张霖(现为河南农业大学青年教师)、王思瑶和湖南杂交水稻全国重点实验室柏斌副研究员为论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目和湖南省教育厅等项目的资助。(原文链接:https://doi.org/10.1111/pbi.14336)

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