PBJ | 一种营养贮藏蛋白ZmLOX6提高玉米干旱耐受性

氮代谢是植物最基本且重要的生理过程之一。在双子叶植物中，营养贮藏蛋白（VSPs）是重要的氮素储藏形式，可提高氮素利用效率，冬藏春用，助力芽的萌发，另外，易于活化的VSPs可快速响应瞬时非生物胁迫，减少从土壤中运输和转化氮的损失。氮素循环关系到植物营养物质的积累和转化，是植物重要的越冬和抵御逆境的策略，但是VSPs在禾本科作物中尚未发现。

近日，知名期刊Plant Biotechnology Journal上在线发表了科迪华农业科技公司一篇题为A vegetative storage protein improves drought tolerance in maize的研究论文，该研究在禾本科作物玉米中鉴定到了ZmLOX6可作为叶肉细胞中的营养贮藏蛋白储存氮素，在玉米遭受干旱胁迫时缓冲不利影响，保持高水平的产量。

首先，作者分别用含硝酸钾或硝酸铵的培养基中培养玉米幼苗，并在叶片中诱导出约100 kDa和50 kDa的两条多肽带，通过胰蛋白酶处理后利用LC-MS-MS在100 kDa的多肽带中鉴定到了包括ZmLOX6、ZMPPEPC和ZmPPDK这三个C4光合途径的核心酶在内的五个蛋白，其中ZmLOX6主要在绿色组织中表达，在叶片中表达最高。随后，作者通过大肠杆菌系统对ZmLOX6、ZMPPEPC和ZmPPDK这三个蛋白进行表达，通过ELISA等方法并利用多份自然杂交种分析产量与变异的关系发现，干旱条件下，ZmLOX6蛋白单独解释了粮食产量58%的变异，进一步分析更支持ZmLOX6是在玉米叶片中储存额外氮的候选蛋白。接下来，作者又对ZmLOX6、ZMPPEPC和ZmPPDK在氮诱导的表达模式进行了分析，发现ZMPEC和ZmPPDK在最高氮浓度下增加了约5到8倍，但ZmLOX6增加了12倍，且ZMPPEPC和ZmPPDK在100 mM浓度下的累积水平低于25 mM浓度下的累积水平，说明ZMPPEPC和ZmPPDK的水平可能存在一个上限，而ZmLOX6的表达模式诱导更支持其作为氮储存蛋白发挥功能。另外，作者通过将AcGFP与ZmLOX6不同长度的N 端残基融合验证了ZmLOX6中第60-62位氨基酸是一种新型叶绿体靶向的信号肽。

作者推断，ZmLOX6可以在正常生长条件下的光合作用高峰期储存氮，在遭受干旱等胁迫时快速再活化。基于这样的假设，作者首先研究了不同启动子对ZmLOX6表达的影响，包括组成型表达启动子pZmUbi以及叶肉细胞、束鞘细胞特异表达启动子pZmPEPC、pZmrbcS。在不同转基因玉米中通过ELISA定量测定的ZmLOX6含量，发现叶肉细胞特异表达启动子的ZmLOX6蛋白积累水平达到最高，而含有液泡靶向信号（VTS）干扰了ZmLOX6的叶绿体靶向信号，对蛋白积累产生了不利影响。在非转基因植物中，ZmLOX6占总叶蛋白的比例不到1%，在pZmPEPC启动子驱动下，ZmLOX6积累到与最丰富的叶蛋白ZmPEPC和ZmPPDK相同的水平。

接下来，作者通过转基因材料的田间试验进行进一步研究，首先作者探究了从开花时开始到成熟时ZmLOX6在果穗结叶片中的浓度，结果表明ZmLOX6蛋白像另一种主要的叶蛋白ZMPEC一样从叶中重新活化。另外，将pZmPEPC启动子驱动的ZmLOX6的单拷贝转基因材料与测试自交系杂交，利用杂交后代分别在Woodland（加利福尼亚）地区和约翰斯顿（爱荷华州）两个地区进行干旱胁迫实验，结果表明ZmLOX6的过度表达缓冲了植物对干旱胁迫的反应，获得了较高的产量。此外，在正常生长条件下，ZmLOX6的过度表达不会造成任何产量损失。

 综上，该研究团队鉴定了玉米脂氧合酶ZmLOX6，作为叶肉细胞中的营养贮藏蛋白，并阐明了一种新的N端信号肽，将其靶向叶绿体。ZmLOX6受氮含量诱导表达。在叶肉细胞中特异表达的诱导启动子的驱动下进行转基因表达后，ZmLOX6（通常占叶蛋白的不到1%）可累积到4%以上。在开花时受到干旱胁迫时，ZmLOX6转基因玉米表现优于对照。说明ZmLOX6作为VSP在叶片中储存氮素，缓冲了干旱胁迫对植物的影响，该研究中的田间实验也为干旱胁迫耐受性和植物营养之间的联系提供了实验证据。