研究发现调控气孔动态变化速率的关键分子元件

近期，中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室研究员朱新广研究组在The Plant Journal上，发表题为Alterations in Stomatal Response to Fluctuating Light Increase Biomass and Yield of Rice under Drought conditions的研究论文，揭示水稻气孔调控动态新机制，并用于创制抗旱水稻品系，为培育抗旱作物提供新思路。

提高水分利用效率是水稻耐旱性育种的关键。目前，学界已阐明极度干旱条件下作物维持存活的调控机制，但是在实际生产的中等干旱条件下，如何保证粮食稳产甚至增产的分子靶标尚未见报道。该研究提供了提高作物在生理干旱下抗旱性的新途径。

在田间条件下，作物长期处于高低光动态环境中。叶片气孔是协调光合效率和水分利用效率的关键因子，叶片从高光转换到低光动态过程中，气孔关闭缓慢导致水分丧失，进而影响水分利用效率和耐旱性（Qu et al. 2016a；Qu et al. 2016b）。该研究以217份全球微核心种质资源为材料，通过全基因组关联分析，发现在波动光状态下调控气孔关闭速度的基因NHX2。该基因属于钠离子与氢离子交换反向转运蛋白，强烈受干旱胁迫诱导表达；可通过影响质子跨膜电势变化，调控保卫细胞膨压，进而影响气孔开关速度。干旱条件下，过量表达该基因可提高其气孔反应速度，但是CRISPR敲除株系比对照的气孔反应速度慢，导致较大控制水稻的水分利用效率。通过对该水稻群体基因序列变异分析，研究人员发现该基因（包含启动子和编码区）共有3个单倍型，其中，具有单倍型III的水稻材料具有更快气孔反应速度。为验证单倍型I的生物学功能，研究人员构建以02428为供体（单倍型III）、明辉63为受体（单倍型II）的高代近等基因系；通过不同年限（2018年至2019年）和地点重复（上海、海南），证明在干旱条件下，与明辉63对照相比，该近等基因系具有至少高于10%的小区产量。研究人员分析该群体的气候起源环境发现，大多含有单倍型III的水稻材料起源于干旱或半干旱地区，单倍型II的材料起源于热带湿润气候。两种材料群体起源地区的年均降水量相差3倍，表明水分环境选择压力对气孔反应速度的遗传效应发挥重要作用。

该研究提供调控气孔动态的遗传因子NHX2的优良等位变异信息，为筛选水稻耐旱分子育种关键靶点、缓和我国粮食生产与淡水资源缺乏之间的矛盾、确保我国粮食安全、调整优化农业结构、促进节水农业持续发展提供新思路。利用NHX2的基因变异，有利于培育抗旱性水稻品系、维护全球粮食安全。朱新广研究组的副研究员曲明南为论文第一作者，朱新广、研究员储成才和陈根云为论文的通讯作者。研究工作得到中科院、国家自然科学基金和上海市科委的资助。(生物谷Bioon.com）