董宝娣研究组在冬小麦弱光胁迫下粒数恢复补偿机制研究中取得新进展

作者：栾城站   更新时间：2023-09-17

　　气候变化及大气污染形成的雾霾天气引起了光照时数及强度降低，对作物生长发育常造成不利影响。小麦是我国重要的粮食作物，生殖发育阶段的弱光胁迫能够严重降低小麦的结实率，甚至造成小麦绝产。据统计，在中国东部粮食主产区，到达地表的太阳辐射在近几年降低了约5-30%，由此导致了每年约5.2%的小麦产量损失。在农业生产中，弱光胁迫造成小麦穗败育后，在分蘖节位置会有新的、可育的再生分蘖形成，从而在一定程度上降低小麦产量损失。因此，研究弱光下冬小麦分蘖再次萌发并部分发育成穗的调控机制，将为弱光逆境下作物稳产、高产提供理论支撑，具有重要现实与理论意义。

　　在中国科学院栾城农业生态系统试验站(北纬37°53′，东经114°41′；海拔50.1 m)连续进行两年的田间试验，发现弱光胁迫后的再生分蘖对原生分蘖产量损失的补偿量在29%以上，表明再生分蘖的形成可以有效缓解弱光胁迫造成的小麦产量损失。通过对叶、穗、穗下节间和分蘖节等组织器官的淀粉和可溶性糖含量测定以及同位素示踪试验，发现弱光胁迫一天之后，叶片储存的淀粉就几乎被完全消耗，不能再为其他器官提供营养；穗和穗下节间淀粉酶、糖转运载体SUT/SUC以及SWEET基因表达上调，导致穗和穗下节间发生库-源转换，将淀粉水解为蔗糖运输到分蘖节；分蘖节中上调表达的细胞壁转化酶CWINV基因以及己糖转移酶STP基因负责蔗糖的卸载。另外，通过构建基因共表达网络发现，与穗败育耦合的基因模块衰老和自噬相关基因富集，这些基因可能是导致库-源转换的重要因素；与再生分蘖耦合的基因模块富集了大量与细胞壁相关的生物学过程，包含多个膨胀素基因。通过在拟南芥中过表达其中一个膨胀素基因，证实了上调表达的膨胀素基因是再生分蘖形成的直接因素。本研究揭示了一种植物通过多器官协同抵抗逆境胁迫、保证世代延续的新机制。
　　该研究结果以“Low light stress promotes new tiller regeneration by changing source-sink relationship and activating expression of expansin genes in wheat”为题于2023年1月在线发表于《Plant, Cell & Environment》。中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心博士后杨红、助理研究员李永鹏博士为论文共同第一作者，董宝娣研究员为通讯作者，中国科学院东北地理与农业生态研究所李伟强研究员在研究中给予了支持和指导。该研究得到了国家自然科学基金（31971848）、河北省自然科学基金（C2022503020）、河北省重点研发（22326417D, 19226436D）和中国科学院战略性先导项目的资助（XDA28110100）。 

　　论文连接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14548

图1 弱光胁迫诱导小麦源库改变进而促进分蘖再生的模式图。