干旱是制約作物產(chǎn)量的首要環(huán)境脅迫因素。面對(duì)干旱，作物通常通過抑制生長(zhǎng)來啟動(dòng)防御，導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降，這種“耐旱”與“高產(chǎn)”難以兼得的困境被稱為“生長(zhǎng)-防御權(quán)衡”（Growth-Defense Trade-off）。如何精準(zhǔn)打破這一權(quán)衡，培育在干旱脅迫下既能存活又能穩(wěn)產(chǎn)的新種質(zhì)，是全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

近日，河南大學(xué)王道杰教授團(tuán)隊(duì)在The Plant Journal在線發(fā)表了題為Targeting BnNAC038 improves drought tolerance with low yield penalty inBrassica napus的研究論文。該研究在甘藍(lán)型油菜中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)參與干旱脅迫應(yīng)答的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子BnNAC038，系統(tǒng)解析了其協(xié)調(diào)植物干旱應(yīng)答與產(chǎn)量平衡的分子網(wǎng)絡(luò)，為突破作物育種中“生長(zhǎng)與防御”難以協(xié)同的瓶頸問題、實(shí)現(xiàn)“耐旱不減產(chǎn)”的育種目標(biāo)提供了關(guān)鍵基因資源與創(chuàng)新育種策略。

該研究發(fā)現(xiàn)，利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除BnNAC038基因后，突變體在干旱脅迫下表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的耐旱性，包括更高的存活率、更低的水分流失以及更高的水分利用效率。尤為關(guān)鍵的是，連續(xù)兩年的田間試驗(yàn)證實(shí)，bnnac038植株在增強(qiáng)了耐旱性的同時(shí)，最大限度地減少了產(chǎn)量損失：在正常條件下生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量與野生型無顯著差異，而在干旱脅迫下，其光合能力更強(qiáng)、蔗糖與葡萄糖積累更多，最終生物量與種子產(chǎn)量的損失均顯著低于野生型。

圖1. bnnac038突變體通過優(yōu)化氣孔調(diào)控與光合作用實(shí)現(xiàn)耐旱-穩(wěn)產(chǎn)

研究揭示，上述“耐旱-穩(wěn)產(chǎn)”表型源于BnNAC038對(duì)其下游基因的雙重抑制被解除。分子機(jī)制研究表明，BnNAC038作為轉(zhuǎn)錄抑制因子，一方面通過直接結(jié)合ABA信號(hào)通路關(guān)鍵激酶基因BnSnRK2.6的啟動(dòng)子來抑制其表達(dá)，從而負(fù)調(diào)控干旱應(yīng)答；另一方面，它還能直接靶向光合作用關(guān)鍵基因BnPPC2與糖異生關(guān)鍵基因BnPGK的啟動(dòng)子，在干旱脅迫下限制光合效率與碳水化合物的合成。

圖2. BnNAC038抑制與干旱脅迫和糖代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄

在bnnac038植株中，上述抑制作用被解除，使得突變體在干旱來臨時(shí)，能更迅速地關(guān)閉氣孔以減少水分流失，并維持更高的光合速率以保障碳同化和蔗糖積累，從而為在干旱脅迫中維持生物量與產(chǎn)量提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3. BnNAC038調(diào)控甘藍(lán)型油菜干旱應(yīng)答與產(chǎn)量形成的工作模型

綜上，該研究系統(tǒng)解析了BnNAC038作為關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因子通過雙重抑制機(jī)制平衡干旱應(yīng)答與光合碳代謝的分子網(wǎng)絡(luò)，不僅深化了對(duì)植物"生長(zhǎng)-防御權(quán)衡"調(diào)控機(jī)制的理解，更為通過精準(zhǔn)基因編輯打破育種瓶頸、培育耐旱穩(wěn)產(chǎn)作物新品種提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與極具應(yīng)用價(jià)值的遺傳靶點(diǎn)。

河南大學(xué)博士研究生陳玉平為該論文的第一作者，河南大學(xué)王道杰教授和西北農(nóng)林科技大學(xué)謝長(zhǎng)根教授為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、河南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1111/tpj.70571