PNAS：仅改造一个酶，即可提高温胁迫下玉米籽粒产量学术资讯

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据估算，到2050年全球人口将达到约97亿，按目前的消费水平，谷物产量需要增加50％才满足全球对粮食的需求【1,2】。玉米（Zea mays L.）是重要的谷类作物之一，占世界粮食产量的42％【3】。随着气候变化，作物发生非生物和生物胁迫的频率增加，预计将导致谷物单产降低，而且已有的研究表明，高温胁迫已经影响了欧洲的玉米产量【4】。研究发现，高温影响玉米籽粒的数量，并加速籽粒的发育，最终导致玉米籽粒数量和重量降低【5】。

淀粉是玉米粒中最丰富的存储分子，对玉米产量形成至关重要，但其合成对高温胁迫敏感。叶绿体定位的6-磷酸葡糖酸脱氢酶（6PGDH）对胚乳中的淀粉积累是必需的。在玉米中有三个同工酶，PGD1、PGD2 和PGD3。胞质定位的PGD1和PGD2具有一定的热稳定性，而在热胁迫条件下，质体定位的PGD3活性不稳定，因此通过改变PGD3的热稳定性是减少高温胁迫导致玉米产量降低的潜在策略。

2020年12月15日，佛罗里达大学A. Mark Settles团队在PNAS发表了题为Engineering 6-phosphogluconate dehydrogenase improves grain yield in heat-stressed maize的研究论文。该研究发现，在玉米胚乳质体中表达温度稳定形式的PGD3可提高热胁迫下籽粒的产量。

从中枢代谢进入胚乳淀粉的大部分葡萄糖来源于糖酵解和PPP循环。6PGDH催化PPP氧化阶段（oxPPP）的最后一步，生成核糖5-P和NADPH。在细胞质和质体基质中都发现了oxPPP酶，包括6PGDH（PGD1, PGD2和PGD3）。该研究发现，定位在细胞质中PGD1和PGD2活性丧失之后不会明显影响籽粒发育，而质体定位的PGD3是玉米粒发育所必需的唯一6PGDH同工酶。

该研究通过一系列生化、分子和遗传学分析发现，热处理降低了PGD3的酶活性。将靶向叶绿体肽编码序列Waxy1融合到Pgd1和Pgd2的开放阅读框中，可实现在玉米淀粉质体中表达热稳定的PGD3。研究发现，大多数转基因株系6PGDH酶活性增加，而且Wpgd转基因可完全恢复一部分纯合pgd3突变体的胚乳缺陷，进而发育出正常的谷粒。产量分析发现，Wpgd转基因降低了高温胁迫引起的籽粒产量损失，使籽粒产量增加> 35％。

WPGD转基因玉米降低了由高温胁迫引起的产量损失

总之，该研究通过改造PGD3，使之定位在正确的亚细胞区室中，以表达耐热形式的酶。在田间高温胁迫期间，玉米发育出更多的籽粒。这种改良可作为降低气候变化造成的产量损失的综合方法之一。

参考文献

1. United Nations Department of Economic and Social Affairs, World Population Prospects 2019: Highlights (United Nations, 2019).

2. Organization for Economic Co-Operation Development (OECD) and Food and Agriculture Organization (FAO), “Cereals” in OECD-FAO Agricultural Outlook 2016-2025 (OECD, Paris, 2016), vol. 7, pp. 98–123.

3. E. Hawkins et al., Increasing influence of heat stress on French maize yields from the 1960s to the 2030s. Glob. Change Biol. 19, 937–947 (2013).

4. A. Raza et al., Impact of climate change on crops adaptation and strategies to tackle its outcome: A review. Plants (Basel) 8, 34 (2019).

5. S. K. Boehlein et al., Effects of long-term exposure to elevated temperature on Zea mays endosperm development during grain fill. Plant J. 99, 23–40 (2019).

原文链接:

https://www.pnas.org/content/early/2020/12/14/2010179117#abstract-2

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