山东农业大学杨兴洪课题组发现甜菜碱通过促进光系统II修复循环提高植物的耐热性

BioArt植物 · 公众号 · · 2021-01-08 18:23

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责编 | 王一

高温胁迫严重影响作物生长和产量形成，而光合作用是对高温胁迫最为敏感的生理过程。研究表明，各种环境胁迫对植物光合作用的抑制，不是由于其对光合机构的直接损伤，而是影响了光系统II （PSII）的修复循环过程。PSII的修复循环包括受损D1蛋白的降解，D1蛋白前体的从头合成，成熟的D1蛋白组装到PSII复合体等过程。高温胁迫对光合作用的抑制与影响PSII修复循环有关。

甜菜碱是一些植物在干旱、盐碱以及高温等胁迫下，体内合成积累的渗透调节物质，是一种植物应对各种环境胁迫有效地保护物质。然而，并不是所有植物的植物在干旱或盐碱等胁迫下都能够合成甜菜碱。研究表明，一些重要的作物如水稻、烟草和番茄等不能合成甜菜碱，而小麦和玉米等作物合成甜菜碱的能力也较低。将甜菜碱合成的相关基因导入没有甜菜碱合成途径的植物以提高其抗逆性的研究越来越受到重视，并且显著提高转基因植物的抗逆性。前期的研究结果表明， 甜菜碱能减轻高温等环境胁迫对光合作用的抑制，但甜菜碱是否促进PSII修复循环以及其作用位点并不清楚。

2021年1月4号，山东农业大学 杨兴洪 教授课题组在光合领域的专业刊物 Photosynthesis Research 上在线发表题为 Glycinebetaine mitigated the photoinhibition of photosystem II at high temperature in transgenic tomato plants 的研究论文。该研究将土壤球形节杆菌中合成甜菜碱的 codA 基因转入番茄植物中，围绕PSII修复循环，研究了高温胁迫下甜菜碱促进PSII修复循环的作用机理，揭示了甜菜碱提高转基因植物耐热性的分子机制。

该研究发现， codA 转基因番茄体内能够合成和积累甜菜碱，同野生型番茄相比，转基因番茄耐热性显著提高。转基因番茄植物体内合成的甜菜碱能够通过上调D1蛋白降解过程的关键基因，如 LeFtsH 和 LeDeg 基因的表达，促进受损的D1蛋白的降解。同时，甜菜碱也能够促进和加快D1蛋白的从头合成，这种促进作用与甜菜碱上调 psbA 基因表达，以及减少活性氧（ROS）的积累，降低高温胁迫对D1蛋白翻译的抑制作用有关。采用磷酸化蛋白实验和BN-PAGE实验进一步证实甜菜碱能够稳定D1蛋白和类囊体PSII复合体的稳定性。

总之，该研究阐明了甜菜碱在高温胁迫下对PSII修复循环的作用机制，为揭示甜菜碱能够提高植物对多种逆境胁迫的抗性和作为有效的保护物质提供了理论基础，同时为甜菜碱在提高作物抗逆性的应用提供了重要的实践指导价值。

山东农业大学研究生 李大兴 、 王孟伟 、 张天鹏 为该论文的共同第一作者， 杨兴洪 教授为通讯作者。美国俄勒冈州立大学的 Tony HH Chen 教授、斯洛伐克农业大学的 Marian Brestic 教授、杨兴洪课题组的刘洋副教授等也参与了该研究。

山东农业大学杨兴洪课题组发现甜菜碱通过促进光系统II修复循环提高植物的耐热性

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