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南京農業大學:蘋果β-淀粉 酶基因家族新成員MdBAM17正調控淀粉降解參與ALA誘導的氣孔開放

2024-09-15  來自: 南京禾稼春生物科技有限公司 瀏覽次數:723

近日,Horticultural Plant Journal在線發表了南京農業大學園藝學院汪良駒教授團隊題為“MdBAM17, a novel member of the β-amylase gene family, positively regulates starch degradation in ALA-induced stomatal opening in apple (Malus × domestica) (蘋果β-淀粉梅基因家族新成員MdBAM17正調控淀粉降解參與ALA誘導的氣孔開放)”的研究論文。

研究背景淀粉作為植物光合碳同化的主要產物,對氣孔周期性晝夜開閉過程具有重要調節作用。(BAM)作為淀粉降解的關鍵酶類,已被證實能夠促進淀粉的快速降解,促使氣孔開啟。然而,除擬南芥外,其他高等植物BAM的功能及其調控機制還了解甚少。

5-氨基乙酰丙酸(ALA)是一種重要的植物生長調節物質,其改善植物光合碳固定能力與其調控氣孔運動密切相關。本團隊的研究已經證明,ALA能夠逆轉ABA引起的氣孔關閉,從而促進逆境中氣孔開放,增強光合固碳和農業增產增效。但是,人們對順境下ALA如何促進氣孔開放的作用機理缺乏了解。此前多項研究指出,ALA參與植物淀粉代謝調控。據此推測,ALA調控的氣孔運動可能與淀粉降解相關。


研究問題


在正常生長條件下,探究ALA對蘋果葉片氣孔運動的調節作用,分析其與保衛細胞淀粉代謝之間的相互關系及其潛在的作用機理。


研究結果


(1)在一般的晝夜節律中,外源ALA處理能夠促進光照后葉片氣孔迅速開放,增大氣孔開度。這種效應能夠持續6-9 h(Fig.1, A, D)。使用mPS-PI和I2-KI兩種方法染色以及(BAM)活性檢測結果表明,ALA促進蘋果葉片保衛細胞淀粉含量下降(Fig.1, B, C, E),同時促進下表皮BAM活性上升(Fig.1, F)。這表明ALA可能通過BAM介導保衛細胞淀粉降解進而參與氣孔運動調節。

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)對蘋果等10個薔薇科物種BAM基因家族成員的進化保守性分析發現,蘋果MdBAM17/20等同處于Group II-A分支上的13個BAM成員(除PbrBAM1b)與擬南芥AtBAM1高度保守。由于AtBAM1參與保衛細胞淀粉降解過程,因而推測,MdBAM17/20可能具有類似生物學功能(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)基因表達模式及其與BAM活性、保衛細胞相對淀粉含量以及氣孔開度的相關性分析表明,MdBAM17在ALA調節的保衛細胞淀粉代謝和氣孔運動過程中可能發揮正調控作用(Fig.4)。亞細胞定位顯示,MdBAM17與AtBAM1亞細胞定位結果一致,均位于葉綠體內(Fig.5, A)。組織特異性表達分析顯示,MdBAM17能夠在保衛細胞中表達(Fig.5, B, C),且受ALA誘導(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)在蘋果葉片中瞬時過表達(OE-)或沉默表達(RNAi-)MdBAM17能夠顯著影響保衛細胞內淀粉含量、BAM活性以及氣孔開度(Fig.6)。ALA對保衛細胞淀粉含量、BAM活性以及氣孔開度的調節作用在OE-或RNAi-MdBAM17葉片中被相應的顯著增強或削弱(Fig.6)。這些結果表明,MdBAM17是介導保衛細胞淀粉降解進而參與ALA調控蘋果葉片氣孔開放的關鍵基因。

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

.汪良駒教授

(4)在蘋果葉片中瞬時過表達(OE-)或沉默表達(RNAi-)MdBAM17能夠顯著影響保衛細胞內淀粉含量、BAM活性以及氣孔開度(Fig.6)。ALA對保衛細胞淀粉含量、BAM活性以及氣孔開度的調節作用在OE-或RNAi-MdBAM17葉片中被相應的顯著增強或削弱(Fig.6)。這些結果表明,MdBAM17是介導保衛細胞淀粉降解進而參與ALA調控蘋果葉片氣孔開放的關鍵基因。

汪良駒教授


(5)檢測瞬時過表達(OE-)或沉默表達(RNAi-)MdBAM17的蘋果葉片黃酮醇和H2O2含量結果顯示,MdBAM17表達量的多寡并不影響ALA對保衛細胞黃酮醇和H2O2含量的調控作用(Fig.7)。而外源H2O2處理顯著限制BAM活性和保衛細胞淀粉降解,但ALA能夠有效降低ROS含量,緩解這種抑制效果(Fig.S6)。這些結果表明,ALA經由MdBAM17促進淀粉降解進而調控氣孔開放的機制處于保衛細胞活性氧(ROS)信號通路的下游。

由于ROS屬于逆境或ABA信號調控通路,在順境條件下,ROS含量很低,因而,植物葉片氣孔開度主要由BAM/淀粉信號來調節。

汪良駒教授汪良駒教授
本研究探究了ALA在非逆境(無ABA/ROS存在)下調控蘋果葉片氣孔運動的機理,揭示了MdBAM17基因、BAM活性以及保衛細胞淀粉代謝介導氣孔運動的分子機制,為正常生長發育條件下ALA促進葉片氣孔開放與提高植物光合固碳能力提供了科學依據。


總部地址:南京市衛崗1號 電話:025-84395265  董事長:汪良駒  手機:13851564195

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