青島能源所發現能源草與牧草株型分子調控的新模式

文章來源:青島生物能源與過程研究 發布時間:2022/04/18

       多年生能飼草在生物能源與牧草飼料生產、邊際土地利用與修復以及二氧化碳吸收與固定等方面具有重要的經濟與生態效益。其中,柳枝稷屬于禾本科黍屬多年生C4高大草本植物,一次種植可以生長10-12年,生物量高,分布范圍廣,種質資源豐富,抗逆性強。迄今為止,柳枝稷在京津冀地區、黑龍江、山東、寧夏回族自治區、新疆、內蒙古、陜西、江蘇和四川等地均有種植,主要用于防風固沙、土壤荒漠化治理、鹽堿地修復、牧草飼料與生物能源生產等。

  青島能源所付春祥研究員帶領的能源作物分子育種研究組多年來深耕柳枝稷理想株型的分子設計,設計和創制了多個分蘗數多、開花延遲、莖稈增粗的高產高品質柳枝稷種質新資源(Front Plant Sci. 2022, 13:834431;Hortic Res. 2021, 8:252;Biotechnol Biofuels. 2016, 9:101)。株型直接關系柳枝稷的生長狀態與抗倒伏能力,是決定其產量的主要農藝性狀。而能源草與牧草的產量主要由單位面積的分蘗數與每個分蘗的生物量決定的。其中,獨角金內酯(Strigolactones,SLs)與miR156-SPL模塊是控制禾本科植物分蘗形成的關鍵因子。之前科學家們在重要糧食作物水稻中成功建立了miR156-SPL模塊介導獨腳金內酯信號傳導途徑調控植物分蘗的分子模型。近期該團隊解析了miR156-SPL模塊對獨腳金內酯合成途徑的影響,相關研究成果發表在New Phytologist《新植物學家》雜志。

  科研人員發現在重要的能飼作物柳枝稷中,miR156靶基因SPL2編碼的蛋白不但能夠與獨腳金內酯信號通路核心蛋白D53相互作用,還能夠通過激活植物側分枝氧化還原酶基因LBO的表達增強獨腳金內酯合成,進而引起D53的泛素化降解,在一定程度上解除D53對SPL2的抑制作用。而釋放的SPL2能夠發揮其轉錄因子調控的功能,促進下游分蘗形成關鍵抑制因子(例如TB1)的表達(圖1)。該機制能夠從獨腳金內酯合成層面幫助SPL克服由于D53過量積累導致的分蘗持續產生問題,從而實現植物生長發育過程中對營養分蘗數目的精準控制。該研究解析了miR156-SPL與獨腳金內酯合成通路在柳枝稷分蘗調控網絡中的關系,發現了miR156-SPL2-LBO介導的分蘗調控新機制,進而在獨腳金內酯合成調控層面闡述了miR156-SPL模塊精準控制分蘗形成的功能,為今后能源草和牧草理想株型的分子設計提供了重要的理論基礎。

  青島能源所博士研究生楊瑞娟與項目副研究員劉文文為該論文的共同第一作者,付春祥研究員為通訊作者,中科院西北高原生物研究所王洪倫研究員與四川省草原科學研究院白史且研究員參與了該研究。另外,該工作是在山東省農業良種工程項目、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項以及中科院青島能源所和大連化物所潔凈能源國家實驗室基金的共同資助下得以完成。(文/圖 劉文文)

  

圖1 miR156-SPL模塊通過獨腳金內酯合成途徑調控柳枝稷分蘗的模型

  相關論文和專利:

  1. 原文鏈接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18140

  Yang R, Liu W, Sun Y, Sun Z, Wu Z, Wang Y, Wang M, Wang H, Bai S, Fu C. LATERAL BRANCHING OXIDOREDUCTASE, one novel target gene of Squamosa Promoter Binding Protein-like 2, regulates tillering in switchgrass. New Phytol. 2022, doi: 10.1111/nph.18140.

  2. Chunxiang FU, Yamei WANG, Wenwen LIU, Zhenying WU, Shiqie BAI, Chuan'en ZHOU, Ruijuan YANG, Shanshan JIANG and Mengqi WANG. PANICUM VIRGATUM SOSEKI PROTEIN SOK2, CODING GENE AND APPLICATIO N THEREOF, 美國專利, US17/168983.

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