【科研进展】赵天永教授团队解析棉子糖调控玉米耐旱机理并创制耐旱玉米育种新材料

近日，The Plant Journal在线发表题为“Raffinose Positively Regulates Maize Drought Tolerance by Reducing Leaf Transpiration”的研究论文。

棉子糖是一种功能性低聚糖，存在于所有植物中，在植物受到干旱胁迫时在叶片中迅速积累。植物棉子糖合成主要由两个关键酶负责：1. 肌醇半乳糖苷合成酶（Galactinol synthase，GOLS；EC 2.4.1.123），利用UDP-半乳糖（UDP-galactose）与肌醇（myo-inositol）合成肌醇半乳糖苷（Galactinol）；2. 棉子糖合成酶（Raffinose synthase，RAFS；EC 2.4.1.82），负责将半乳糖苷从肌醇半乳糖上转移至蔗糖，生成棉子糖。之前的研究表明，超表达GOLS基因，能够提高肌醇半乳糖苷和棉子糖含量，显著增强植株耐旱性[1, 2]。然而，拟南芥中超表达玉米RAFS（ZmRAFS）虽然通过提升肌醇含量增强了植株耐旱能力，但却未增加叶片中棉子糖含量[3]。因此，能否通过超表达ZmRAFS表达水平提高棉子糖累积水平，从而进一步提升玉米植株耐旱性仍亟待证明。

研究人员发现，在玉米中超表达ZmRAFS基因增加了ZmRAFS蛋白和棉子糖含量，降低了玉米叶片的水分散失，增强了植物的耐旱性。在水分充足条件下，ZmRAFS超表达玉米株系的生物量与非转基因对照株系无明显差异，但在干旱胁迫条件，超表达株系的生物量显著高于非转基因株系。进一步的研究表明缺失棉子糖的玉米zmrafs突变体叶片的失水速率显著高于对照株系，而向离体玉米zmrafs突变体叶片外施棉子糖溶液后，叶片失水速率较外施清水的zmrafs突变体叶片失水速率显著降低。此外作者发现不同玉米株系之间叶片的失水速率显著差异与叶片的气孔密度和开度无关。研究人员进一步在体外证明了棉子糖相较其他糖类具有更强的物理持水能力。此项工作表明在玉米中超表达ZmRAFS基因增加了叶片中棉子糖含量，减少了叶片水分散失，增强了玉米植株的耐旱性，且对玉米生长发育无负面作用。

图. 棉子糖通过物理持水性增强玉米耐旱能力

西北农林科技大学博士毕业生刘应和李涛（河南农业大学校聘副教授）为论文共同第一作者。西安交通大学邓楠博士和美国University of Kentucky大学Bruce Downie教授、Lynnette M. A. Dirk博士参与了该项研究工作。西北农林科技大学赵天永教授（https://sm.nwafu.edu.cn/szdw/js2/173932.htm）为论文通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16116

编辑：黄海瀛

终审：王   存