PNAS | 番茄Rho敲除突变体可提高水分利用效率而不影响番茄产量

• 阅读： 2024/1/25 10:00:02

  在全球变暖的情况下，在保持产量的同时提高作物的水分利用效率至关重要。然而，实现这种平衡是具有挑战性的，因为通过气孔减少水分流失的同时也会阻碍二氧化碳的吸收，损害植物的生长。近日，Mallikarjuna R. Puli 等在国际知名期刊《PNAS》上在线发表题为“Null mutants of a tomato Rho of plants exhibit enhanced water use efficiency without a penalty to yield”的研究论文。该研究发现，在温室和大规模田间试验中，敲除ROP9的番茄突变体表现出更强的水分利用效率，但不影响产量。ROP9调节活性氧的形成，它在rop9突变体中的缺失导致气孔ROS水平升高和气孔关闭增加。ROP可能是提高作物水分利用效率的目标。

  首先，该研究利用CRISPR/Cas9获得了SlROP9敲除番茄突变体，与野生型相比，rop9突变体表现出蒸腾速率、气孔导度和气孔孔径降低，光合CO2同化效率相当，瞬时水分利用显著提高的特点（图1）。而rop9突变体的气孔关闭增加是通过增加保卫细胞ROS水平介导的，而这很可能依赖于RBOH（图2）。

  图1.rop9突变体表现出蒸腾、气孔导度和气孔孔径的降低，对光合作用的影响最小。

  图2.在NADPH氧化酶的介导下，rop9突变体保卫细胞中ROS水平的升高导致气孔孔径的减小。

  随后该研究又测试了各种已知的ABA响应，包括种子萌发、根伸长、基因表达和气孔关闭，发现rop9突变体气孔孔径变小和水分利用效率(WUE)提高与ABA响应增强没有直接联系，组成性高ROS水平、NADPH氧化酶活性和异常小的气孔孔径之间存在联系，ABA对rop9突变体保卫细胞孔径存在加性效应（图3）。ABA水平升高或在干旱条件下，ROP9的表达和活性会受到抑制，所以rop9突变体的表型可能是由rop9调控的RBOH活性中断引起的。

  图3.ROP9在调节气孔功能中表现出与ABA信号的加性相互作用。

  为了评估rop9突变体气孔导度和蒸腾速率降低对果实产量的影响，该研究进行了大规模田间试验，田间试验结果表明，rop9突变体的水分利用效率(WUE)的提高并不与产量损失相关，甚至在某些土壤生长条件下可能导致产量的提高（图4）。

  图4.田间生长的rop9突变体果实产量和含糖量分析。

  研究结果概要:

  (A)在水分充足的野生型植物(WT)中，ROP9抑制保卫细胞中RBOHB/D的功能，导致低水平的ROS。ABA水平和依赖ABA的信号也可能很低，导致气孔开放。干旱导致ROP9表达减少，ABA可能导致ROP9失活，导致RBOH依赖的ROS形成增加。ROS水平升高，结合ABA依赖的信号传导，促进气孔关闭。(B)在rop9突变体中，RBOH依赖的ROS水平增加导致部分气孔关闭。外源ABA的应用进一步激活ABA信号，ABA信号与增加的ROS水平共同作用，促进气孔关闭。(C)对单个气孔和保卫细胞的分析证实，与WT植物相比，水分充足的rop9突变体的气孔导度(gws)和蒸腾作用(E)更低，表明突变体的气孔孔径更小。有趣的是，rop9突变体的光合CO2同化作用(AN)与WT M82相似，从而提高了突变体的水分利用效率(WUE)。(D)全植物蒸腾(E)分析表明，与M82相比，水分充足的rop9突变体表现出更低的蒸腾作用，特别是在正午，当水汽压亏缺(VPD)值增加时。

  转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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