山東農大揭示甜菜鹼透過促進光系統II修復迴圈提高植物的耐熱性

山東農業大學楊興洪課題組發現甜菜鹼透過促進光系統II修復迴圈提高植物的耐熱性

責編 | 王一

高溫脅迫嚴重影響作物生長和產量形成，而光合作用是對高溫脅迫最為敏感的生理過程。研究表明，各種環境脅迫對植物光合作用的抑制，不是由於其對光合機構的直接損傷，而是影響了光系統II

（PSII）

的修復迴圈過程。PSII的修復迴圈包括受損D1蛋白的降解，D1蛋白前體的從頭合成，成熟的D1蛋白組裝到PSII複合體等過程。高溫脅迫對光合作用的抑制與影響PSII修復迴圈有關。

甜菜鹼是一些植物在乾旱、鹽鹼以及高溫等脅迫下，體內合成積累的滲透調節物質，是一種植物應對各種環境脅迫有效地保護物質。然而，並不是所有植物的植物在乾旱或鹽鹼等脅迫下都能夠合成甜菜鹼。研究表明，一些重要的作物如水稻、菸草和番茄等不能合成甜菜鹼，而小麥和玉米等作物合成甜菜鹼的能力也較低。將甜菜鹼合成的相關基因匯入沒有甜菜鹼合成途徑的植物以提高其抗逆性的研究越來越受到重視，並且顯著提高轉基因植物的抗逆性。前期的研究結果表明，

甜菜鹼能減輕高溫等環境脅迫對光合作用的抑制，但甜菜鹼是否促進PSII修復迴圈以及其作用位點並不清楚。

2021年1月4號，山東農業大學

楊興洪

教授課題組在光合領域的專業刊物

Photosynthesis Research

上線上發表題為

Glycinebetaine mitigated the photoinhibition of photosystem II at high temperature in transgenic tomato plants

的研究論文。

該研究將土壤球形節桿菌中合成甜菜鹼的

codA

基因轉入番茄植物中，圍繞PSII修復迴圈，研究了高溫脅迫下甜菜鹼促進PSII修復迴圈的作用機理，揭示了甜菜鹼提高轉基因植物耐熱性的分子機制。

該研究發現，

codA

轉基因番茄體內能夠合成和積累甜菜鹼，同野生型番茄相比，轉基因番茄耐熱性顯著提高。轉基因番茄植物體內合成的甜菜鹼能夠透過上調D1蛋白降解過程的關鍵基因，如

LeFtsH

和

LeDeg

基因的表達，促進受損的D1蛋白的降解。同時，甜菜鹼也能夠促進和加快D1蛋白的從頭合成，這種促進作用與甜菜鹼上調

psbA

基因表達，以及減少活性氧

（ROS）

的積累，降低高溫脅迫對D1蛋白翻譯的抑制作用有關。採用磷酸化蛋白實驗和BN-PAGE實驗進一步證實甜菜鹼能夠穩定D1蛋白和類囊體PSII複合體的穩定性。

總之，該研究闡明瞭甜菜鹼在高溫脅迫下對PSII修復迴圈的作用機制，為揭示甜菜鹼能夠提高植物對多種逆境脅迫的抗性和作為有效的保護物質提供了理論基礎，同時為甜菜鹼在提高作物抗逆性的應用提供了重要的實踐指導價值。

山東農業大學研究生

李大興

、

王孟偉

、

張天鵬

為該論文的共同第一作者，

楊興洪

教授為通訊作者。美國俄勒岡州立大學的

Tony HH Chen

教授、斯洛伐克農業大學的

Marian Brestic

教授、楊興洪課題組的

劉洋

副教授等也參與了該研究。

楊興洪教授課題組長期從事甜菜鹼提高植物抗逆性的生理及分子機制以及甜菜鹼應用方面的研究，已在

Plant Physiology，Plant Cell and Environment

等刊物發表相關論文20餘篇。該方向的研究也得到了國際同行的認可，與美國俄勒岡州立大學、斯洛伐克農業大學建立了長期的合作研究。

文章連結：

http://link.springer.com/article/10.1007/s11120-020-00810-2