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南京農(nóng)業(yè)大學(xué):蘋(píng)果β-淀粉 酶基因家族新成員MdBAM17正調(diào)控淀粉降解參與ALA誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放

2024-09-15  來(lái)自: 南京禾稼春生物科技有限公司 瀏覽次數(shù):938

近日,Horticultural Plant Journal在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院汪良駒教授團(tuán)隊(duì)題為“MdBAM17, a novel member of the β-amylase gene family, positively regulates starch degradation in ALA-induced stomatal opening in apple (Malus × domestica) (蘋(píng)果β-淀粉梅基因家族新成員MdBAM17正調(diào)控淀粉降解參與ALA誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放)”的研究論文。

研究背景淀粉作為植物光合碳同化的主要產(chǎn)物,對(duì)氣孔周期性晝夜開(kāi)閉過(guò)程具有重要調(diào)節(jié)作用。(BAM)作為淀粉降解的關(guān)鍵酶類(lèi),已被證實(shí)能夠促進(jìn)淀粉的快速降解,促使氣孔開(kāi)啟。然而,除擬南芥外,其他高等植物BAM的功能及其調(diào)控機(jī)制還了解甚少。

5-氨基乙酰丙酸(ALA)是一種重要的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì),其改善植物光合碳固定能力與其調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。本團(tuán)隊(duì)的研究已經(jīng)證明,ALA能夠逆轉(zhuǎn)ABA引起的氣孔關(guān)閉,從而促進(jìn)逆境中氣孔開(kāi)放,增強(qiáng)光合固碳和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效。但是,人們對(duì)順境下ALA如何促進(jìn)氣孔開(kāi)放的作用機(jī)理缺乏了解。此前多項(xiàng)研究指出,ALA參與植物淀粉代謝調(diào)控。據(jù)此推測(cè),ALA調(diào)控的氣孔運(yùn)動(dòng)可能與淀粉降解相關(guān)。


研究問(wèn)題


在正常生長(zhǎng)條件下,探究ALA對(duì)蘋(píng)果葉片氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)作用,分析其與保衛(wèi)細(xì)胞淀粉代謝之間的相互關(guān)系及其潛在的作用機(jī)理。


研究結(jié)果


(1)在一般的晝夜節(jié)律中,外源ALA處理能夠促進(jìn)光照后葉片氣孔迅速開(kāi)放,增大氣孔開(kāi)度。這種效應(yīng)能夠持續(xù)6-9 h(Fig.1, A, D)。使用mPS-PI和I2-KI兩種方法染色以及(BAM)活性檢測(cè)結(jié)果表明,ALA促進(jìn)蘋(píng)果葉片保衛(wèi)細(xì)胞淀粉含量下降(Fig.1, B, C, E),同時(shí)促進(jìn)下表皮BAM活性上升(Fig.1, F)。這表明ALA可能通過(guò)BAM介導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞淀粉降解進(jìn)而參與氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)。

Fig.1 Dynamic changes of stomatal apertures, starch granules, and β-amylase activity within guard cells of apple leaves treated with ALA or not

汪良駒教授

(2)對(duì)蘋(píng)果等10個(gè)薔薇科物種BAM基因家族成員的進(jìn)化保守性分析發(fā)現(xiàn),蘋(píng)果MdBAM17/20等同處于Group II-A分支上的13個(gè)BAM成員(除PbrBAM1b)與擬南芥AtBAM1高度保守。由于AtBAM1參與保衛(wèi)細(xì)胞淀粉降解過(guò)程,因而推測(cè),MdBAM17/20可能具有類(lèi)似生物學(xué)功能(Fig.3)。

Fig.3 The gene structure, conserved motif distribution, multiple sequence alignment, and collinear correlation of the AtBAM1 orthologous genes in ten species of Rosaceae

汪良駒教授

(3)基因表達(dá)模式及其與BAM活性、保衛(wèi)細(xì)胞相對(duì)淀粉含量以及氣孔開(kāi)度的相關(guān)性分析表明,MdBAM17在ALA調(diào)節(jié)的保衛(wèi)細(xì)胞淀粉代謝和氣孔運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能發(fā)揮正調(diào)控作用(Fig.4)。亞細(xì)胞定位顯示,MdBAM17與AtBAM1亞細(xì)胞定位結(jié)果一致,均位于葉綠體內(nèi)(Fig.5, A)。組織特異性表達(dá)分析顯示,MdBAM17能夠在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)(Fig.5, B, C),且受ALA誘導(dǎo)(Fig.5, B-E)。

Fig.4 Relative expression of MdBAM17/20 in ALA-treated apple leaves and the correlation analysis between genes expression and β-amylase activity, relative starch amount, and stomatal apertures

Fig.5 MdBAM17 subcellular localization and effects of ALA on promoter activity of MdBAM17

汪良駒教授

(4)在蘋(píng)果葉片中瞬時(shí)過(guò)表達(dá)(OE-)或沉默表達(dá)(RNAi-)MdBAM17能夠顯著影響保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)淀粉含量、BAM活性以及氣孔開(kāi)度(Fig.6)。ALA對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞淀粉含量、BAM活性以及氣孔開(kāi)度的調(diào)節(jié)作用在OE-或RNAi-MdBAM17葉片中被相應(yīng)的顯著增強(qiáng)或削弱(Fig.6)。這些結(jié)果表明,MdBAM17是介導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞淀粉降解進(jìn)而參與ALA調(diào)控蘋(píng)果葉片氣孔開(kāi)放的關(guān)鍵基因。

Fig.6 OE- or RNAi-MdBAM17 and ALA treatment affect the

.汪良駒教授

(4)在蘋(píng)果葉片中瞬時(shí)過(guò)表達(dá)(OE-)或沉默表達(dá)(RNAi-)MdBAM17能夠顯著影響保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)淀粉含量、BAM活性以及氣孔開(kāi)度(Fig.6)。ALA對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞淀粉含量、BAM活性以及氣孔開(kāi)度的調(diào)節(jié)作用在OE-或RNAi-MdBAM17葉片中被相應(yīng)的顯著增強(qiáng)或削弱(Fig.6)。這些結(jié)果表明,MdBAM17是介導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞淀粉降解進(jìn)而參與ALA調(diào)控蘋(píng)果葉片氣孔開(kāi)放的關(guān)鍵基因。

汪良駒教授


(5)檢測(cè)瞬時(shí)過(guò)表達(dá)(OE-)或沉默表達(dá)(RNAi-)MdBAM17的蘋(píng)果葉片黃酮醇和H2O2含量結(jié)果顯示,MdBAM17表達(dá)量的多寡并不影響ALA對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞黃酮醇和H2O2含量的調(diào)控作用(Fig.7)。而外源H2O2處理顯著限制BAM活性和保衛(wèi)細(xì)胞淀粉降解,但ALA能夠有效降低ROS含量,緩解這種抑制效果(Fig.S6)。這些結(jié)果表明,ALA經(jīng)由MdBAM17促進(jìn)淀粉降解進(jìn)而調(diào)控氣孔開(kāi)放的機(jī)制處于保衛(wèi)細(xì)胞活性氧(ROS)信號(hào)通路的下游。

由于ROS屬于逆境或ABA信號(hào)調(diào)控通路,在順境條件下,ROS含量很低,因而,植物葉片氣孔開(kāi)度主要由BAM/淀粉信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)。

汪良駒教授汪良駒教授
本研究探究了ALA在非逆境(無(wú)ABA/ROS存在)下調(diào)控蘋(píng)果葉片氣孔運(yùn)動(dòng)的機(jī)理,揭示了MdBAM17基因、BAM活性以及保衛(wèi)細(xì)胞淀粉代謝介導(dǎo)氣孔運(yùn)動(dòng)的分子機(jī)制,為正常生長(zhǎng)發(fā)育條件下ALA促進(jìn)葉片氣孔開(kāi)放與提高植物光合固碳能力提供了科學(xué)依據(jù)。


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