玉米G蛋白缺失影響玉米花序分生組織發(fā)育。吳慶鈺供圖
玉米的綜合產(chǎn)量提高依賴(lài)于株型的優(yōu)化與抗病性的提高，而二者往往相互拮抗。因此，確定既控制發(fā)育信號(hào)又控制免疫信號(hào)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)于最大化生產(chǎn)率至關(guān)重要。12月18日，美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)資源區(qū)劃所）最新成果，解析了玉米信號(hào)開(kāi)關(guān)分子G蛋白對(duì)發(fā)育及免疫信號(hào)的雙重調(diào)控機(jī)制，為平衡發(fā)育及免疫應(yīng)答、提高玉米綜合產(chǎn)量提供了重要的理論依據(jù)。
玉米不僅是我國(guó)和全球范圍內(nèi)的重要作物，也是遺傳學(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究的模式植物。論文第一作者、資源區(qū)劃所土壤植物互作團(tuán)隊(duì)研究員吳慶鈺介紹，前期研究成果表明，G蛋白作為重要的信號(hào)開(kāi)關(guān)分子，對(duì)植物的分生組織發(fā)育起著重要的調(diào)控作用，而分生組織的程序化發(fā)育決定著玉米果穗形態(tài)，但其分子調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步解析。尤其是G?亞基，由于在單子葉植物中敲除該基因出現(xiàn)致死表型，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)其功能進(jìn)行深入解析，成為研究難點(diǎn)。
吳慶鈺與山東大學(xué)教授徐芳、美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室教授David Jackson等合作，首先明確了G?突變體致死不是由特定的發(fā)育停滯引起的，而是由免疫過(guò)激所導(dǎo)致。吳慶鈺解釋道，植物和人一樣依靠免疫系統(tǒng)抵抗疾病侵襲，研究植物免疫系統(tǒng)的過(guò)激反應(yīng)有助于理解植物的免疫過(guò)程，從而幫助提高抗病性。
通過(guò)遺傳多樣性篩選，研究人員鑒定了具有弱自身免疫反應(yīng)、強(qiáng)發(fā)育表型的玉米Gβ等位基因，使玉米G?突變體在特定遺傳背景下“起死回生”，并首次展現(xiàn)其發(fā)育表型，突破了前期的研究瓶頸。通過(guò)關(guān)聯(lián)分析，研究者發(fā)現(xiàn)，該基因與玉米穗行數(shù)這一重要農(nóng)藝性狀顯著關(guān)聯(lián)。
“抗病需要免疫信號(hào)，而產(chǎn)量提高需要發(fā)育信號(hào)。玉米G?亞基同時(shí)調(diào)節(jié)分生組織的發(fā)育和免疫信號(hào)傳導(dǎo)，對(duì)該基因的操縱有可能優(yōu)化產(chǎn)量與抗病性之間的權(quán)衡，以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量?！眳菓c鈺說(shuō)。
該項(xiàng)研究得到國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)——轉(zhuǎn)基因生物新品種培育、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.1917577116
