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小麦耐盐机制的总结与展望

已有 7147 次阅读 2018-3-19 22:01 |系统分类:科研笔记| 小麦, 耐盐

小麦耐盐机制的总结与展望

作者: 小轩

编者按:20147月,Science杂志推出了小麦专辑,标志着小麦研究正式进入了全基因组时代。而在最新的一期The Crop Journal杂志上,刊登了special issue“Wheat Functional Genomics inChina”,共九篇文章,总结了我国小麦人十五以来的部分代表性进展,是在多倍体、重复序列多、转化困难、缺乏高质量参考基因组等不利条件下,埋头苦干,不言放弃,取得成就的感人经历的总结,向世界展示了中国小麦基因组研究成果,也是展望小麦功能基因组研究未来和方向的一个窗口。受该杂志的授权,本公众号近期将会对这九篇文章进行解读和推送,以飨读者。


今天为大家推送的是该专辑中的“The landscape of molecular mechanisms for salt tolerance in wheat”,通讯作者是山东大学生命科学学院的夏光敏教授,第一作者是夏老师2015届博士生、现就职于中国科学院南京土壤研究所、中国科协青年人才托举工程入选者王萌博士。

这篇文章详细阐述了小麦耐盐研究,尤其是小麦耐盐分子机制方面的进展。说到小麦的耐盐机制,过往的论述几乎都主要强调钠离子外排机制,这部分工作也主要被澳大利亚等国外专家主导和掌握话语权。夏光敏教授潜心致力于小麦耐盐机制研究近四十年,利用体细胞渐渗系小麦特殊材料,发现了ROS稳态介导的小麦耐盐机制,近些年来逐渐被国内外专家所认可,澳大利亚科学院院士、小麦钠离子外排耐盐机制研究的奠基者Rana Munns教授在其2015年为New Phytologist撰写的综述“Salinity tolerance of crops –what is the cost?”专门强调了夏老师课题组发现的这套小麦耐盐机制。

言归正传,这篇文章主要分两部分,第一部分是详细阐述了小麦中最知名和研究最深入的两条耐盐通路:HKT介导的钠离子外排机制SRO等介导的ROS稳态机制;第二部分,结合最新的进展,从基因组等组学角度耐盐种质创新角度,展望了小麦耐盐研究的未来。

从上个世纪80年代,小麦育种家就发现四倍体小麦的耐盐性要弱于六倍体小麦,其中最重要的原因就是两者根部的钠离子外排能力存在差异,导致地上部钠离子的积累和毒害不同。通过群体实验,将该耐盐性状的QTL位点Kna1定位到4D染色体长臂末端,但由于该区段的交换率比较低,基因克隆进展较慢。同时,Rana院士团队基于钠离子外排性状对四倍体小麦进行了大范围的筛选,幸运地筛到一个line,是一个包含了Triticum monococcum(小麦A组祖先近缘种,但并没有参与到小麦的多倍体化过程中)渐渗的品系,并在其5AL上鉴定到QTL位点Nax2;有趣的是,该位点与Kna1homoeologous region。通过图位克隆和群体共分离分析,Rana等分析TmHKT1;5Nax2的候选基因2006年,我国林鸿宣院士团队在nature genetics报道OsHKT1;5基因是水稻耐盐的主效基因,进一步证实了HKT基因在作物耐盐中的关键作用。HKT基因编码的是钠/钾离子转运蛋白,主要定位在植物的根部,行使钠离子外排功能,从而缓解地上部的钠离子积累和毒害,实现植物的耐盐。2012年,Rana院士团队在nature biotechnology上报道,通过杂交将TmHKT1;5-A导入到普通四倍体小麦中,在盐碱地中可以提高25%的小麦产量;同时,他们也证实TaHKT1;5-D是六倍体小麦Kna1的候选基因

小麦钠离子外排耐盐机制的研究史中,留下了太多我们熟悉的小麦大家的身影,比如早期的研究由Dvorak先生、Jorge院士、罗明成教授等完成。近些年,我国科学家也为这条通路的完善做出了贡献,包括刘宝课题组2014年在PNAS上撰文分析人工合成六倍体小麦中HKT1;5的表达模式发生了重塑;夏光敏课题组2014年发现HKT1;5的表达可能受表观遗传调控(第一作者也是王萌博士),该观点在拟南芥的HKT上得到证实。这篇文章也一并进行了梳理,并提出了未来小麦钠离子外排耐盐机制需进一步解决的科学问题。

接下来,这篇文章总结了小麦耐盐的另一条通路—ROS稳态,这也是一个跨越近四十年的研究故事。上个世纪80年代,陈惠民先生(夏老师的导师)、夏光敏教授带领团队创建了通过非对称体细胞杂交方法创制小麦渐渗系的新技术,成功培育了一系列具有优良性状的小麦渐渗系(山融系列),其中包括小麦耐盐抗旱新品种山融3号(SR3)和耐盐碱新品系山融4号(SR4)。非对称体细胞杂交技术,可以实现微量甚至痕量外源DNA序列的渐渗,所以创制的后代与母本的亲缘性非常高,但又表现出显著的表型差异;这种特点十分类似于EMS等突变体材料。所以,这种特殊的小麦遗传材料,十分适合正反向遗传学结合的方式来挖掘其特异表型背后的关键基因。基于此,夏光敏课题组于2000年左右开始由细胞遗传学向分子遗传学转型,以山融3号为材料,将其耐盐的一个高效QTL定位到5AL某段区间内;同时转录组、蛋白组和代谢组数据都指向SR3体内相对较高的ROS含量和较强的氧化还原稳态维持能力。结合这两个指标,于2006年筛选到TaSRO1这个耐盐主效候选基因,经过近十年的研究,发现该基因编码一个多聚腺苷酸二磷酸核糖基聚合酶(PARP),该酶在识别ROS等引起的DNA损伤以及DNA损伤修复中起重要作用。山融3号中该基因发生了等位变异,使PARP酶活性明显提高。通过在小麦中过表达和RNAi敲低该基因,证实TaSRO1通过调控氧化还原稳态和提高基因组损伤修复能力促进生长发育、增强耐盐能力。这部分成果于2014年发表在Plant Cell杂志。同时,国内外多个课题组发现拟南芥、水稻等植物中的同源基因也参与其耐盐、抗旱等过程,进一步证实了SRO介导的ROS稳态的重要意义。此外,该文章还总结了夏光敏课题组近几年利用SR3与其母本JN177的比较分析,发现的一系列ABAJA、光信号等参与ROS稳态从而影响小麦耐盐性状的关键基因(相关成果发表在plant physiologyplant journal等杂志上)。同时,这篇文章还阐述了小麦ROS稳态耐盐通路的下一步研究思路,包括SRO互作蛋白参与的线粒体胁迫及逆行信号等热点问题。

通过综述上述两个小麦耐盐重要机制,文章作者总结指出,小麦耐盐分子机制研究的关键是创制特殊遗传材料。最近Jorge院士领衔的基于外显子测序的EMS突变体库、河北师范大学利用花药培养诱变创制的小麦材料等,都为小麦的耐盐机制研究提供了更多的选择。更重要是,小麦耐盐分子机制的研究,不仅要以小麦特殊耐盐材料为出发点,更应该努力反过来实现指导小麦耐盐材料的育种工作。同时,小麦全基因组序列的不断释放,小麦的耐盐功能基因组学的研究方法和策略也要实时、适时地转变和跟进,包括孙其信课题组发表的基于小麦全基因组信息而可分辨ABD亚基因组的盐处理转录组分析,都是后基因组时代很好的案例。

总的来说,尽管我国的小麦耐盐研究工作起步较晚,但是通过几代小麦人的不断努力,充分利用我们特有的小麦遗传种质,而取得了不错的成绩,并获得了国际同行的认可。文章最后强调,时代在飞速的发展,小麦的耐盐研究工作也面临着新的变化和机遇,也盼望大家继续努力,在基础研究和育种应用两个方面都取得更多更大的成绩!


 

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