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水稻短期干旱记忆提升植物抗旱性相关机制取得进展

来源:昆明植物所 2019-03-04 18:01

 

植物在自然生长过程中往往会经历多次相同的环境胁迫,为了维持正常生长,很多植物会在经历多次胁迫时,表现出较经历第一次胁迫更强的抗逆能力,即植物具有胁迫“记忆”的能力。在众多的环境胁迫中,干旱是其中影响较大、破坏性较强的一种。水稻是我国最主要的粮食作物之一,其生长过程需水量较大,环境干旱对其生长、产量是不容忽视的威胁。关于水稻的抗旱机制,目前较多的是集中于具体功能基因或已知代谢途径的影响,而对于植物的系统抗旱能力的提升缺乏相关的研究。探索水稻中是否存在干旱记忆,并进行相关机制的探究一方面可以完善水稻抗旱机制的研究,另一方面也对提高水稻的抗旱能力提供了新的思路和备选基因库。

中国科学院昆明植物研究所功能基因组学与利用团队刘莉课题组首次在水稻(Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Zhonghua 11)中验证了干旱“记忆”的存在,并建立了形成水稻干旱“记忆”的方法。对获得的不同处理时期的干旱“记忆”植物材料,该课题组通过转录组链特异性测序的方法(whole-transcriptome strand-specific RNA sequencing (ssRNA-seq))得到大量与水稻干旱“记忆”相关的候选差异表达基因。而其中有大量的基因在表达水平上呈现出随处理时间的“记忆”规律,即表现出与第一次干旱胁迫时不同的变化趋势。从四个相关处理点,该研究获得了6885个干旱记忆转录本,以及238个干旱“记忆”lncRNA,并根据表达趋势变化,将干旱记忆基因分为包含dosage、linage、accumulate、initial以及stable五种变化趋势类别的16个表达趋势模式。其中dosage模式包含的基因经常会被研究植物干旱的研究者们忽略,因为这类基因在首次干旱胁迫时并不会发生差异表达,而在后期多次干旱胁迫下才会产生显着的差异表达现象。这一研究不但证明了水稻在合适的反复干旱处理条件下可以形成干旱记忆,还进一步对其机制进行探究,发现lncRNA,DNA甲基化以及内源激素(特别是ABA)均参与到这一短期干旱“记忆”的形成过程中,可能承担了“记忆”因子的使命,进一步激活光合作用、脯氨酸合成等代谢途径中“记忆”转录本的表达,从而提高植物在应对后期干旱胁迫中的能力。

相关研究结果以Physiological and transcriptome analyses reveal short-term responses and formation of memory under drought stress in rice 为题发表在综合性期刊Frontiers in Genetics上。昆明植物所博士研究生李萍、杨红,研究助理王露为该文章第一作者,刘莉为论文通讯作者。该研究得到中科院百人计划、国家自然科学基金等的支持。(生物谷Bioon.com)

 

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