分子植物卓越中心阐明干旱信号调控碳转运和根系生长的分子机制学术资讯

　　干旱造成作物生产的损失，危害粮食安全。植物因其固着生长的特性而难以躲避所受到的胁迫，被迫进化出适应逆境的机制。植物通过关闭气孔、减缓生长、衰老和休眠等“节流策略”，减少干旱下水分和养分的消耗；植物还利用强大的根系、向水性以及C4和CAM光合途径等“开源策略”，从土壤中获取水分和养分，维持干旱下的生长。解析开源策略调控机制，是作物抗逆节水遗传改良的理论基础。

　　“根冠比调控”是植物干旱领域的核心科学问题，而未在分子机制方面得到合理解释。为何干旱抑制植物地上部分的生长而促进植物根系的生长？12月23日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心赵杨研究组在Nature Plants上，发表了题为Phosphorylation of SWEET sucrose transporters regulates plant root:shoot ratio under drought的研究论文，从分子层面阐释了干旱胁迫下植物根冠比的调控机制。

　　对ABA受体十二重突变体和ABA信号核心蛋白激酶SnRK2三重突变体的表型分析发现，干旱下植物根冠比的调控依赖于ABA信号。植物根系的生长依赖于地上部分光合产物的转运，韧皮部蔗糖转运蛋白SWEET11和SWEET12在蔗糖长距离运输中起到核心作用，参与调控干旱下植物根冠比。干旱诱导ABA积累，激活ABA信号。研究显示，SnRK2可以磷酸化修饰SWEET11和SWEET12蛋白第237和248位丝氨酸。该修饰被渗透和干旱胁迫诱导，并依赖于ABA核心信号通路。磷酸化发生在SWEET蛋白C末端，位于细胞质内，是潜在的调控区。研究表明，磷酸化修饰增强了SWEET蛋白寡聚化，加强了它们的蔗糖转运活性，促进了蔗糖从地上部分向根系的长距离运输，进而推进干旱下根系的生长，提高植物根冠比和抗旱性。

　　蔗糖是植物光合产物远距离运输的主要形式，其长距离转运依赖于韧皮部这一“高速路”。因此，韧皮部蔗糖转运蛋白的活性决定碳转运和碳分配能力，从而影响植物生长发育，决定作物产量和品质。在拟南芥中，韧皮部装载过程由SWEET11/12介导的外排和SUC2介导的吸收的质外体途径控制。SWEET蛋白转运活性较低，或是韧皮部装载过程中的“限速点”。研究表明，模拟磷酸化SWEET的转基因植物在提高根系生长的同时，未造成地上部分的生长抑制，而增强了地上部分的生长。因此，光合产物长距离转运的增强，具有改良作物产量和品质的潜在意义。

　　综上，该研究阐明了干旱信号促进碳转运的分子机制，揭示了碳转运对碳分配和根系生长的影响，解析了干旱下植物根冠比的调控机制，并提出了同时提高植物抗性和产量的研究方向。

　　研究工作得到中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金和中科院上海植物逆境生物学研究中心的支持，并获得美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校科研人员的协助。Nature Plants同期在线发表了题为Drought meets SWEET的评论文章，对该成果进行评价与展望。