玉米Golden2-like转录因子通过促进气孔关闭增强水稻抗旱性研究

作者及机构
本研究由Xia Li、Jing Li（共同第一作者）等团队完成，通讯作者为Wenbin Zhou（zhouwenbin@caas.cn）。研究单位包括中国农业科学院作物科学研究所（北京）和中国科学院分子植物科学卓越创新中心（上海）。论文于2023年10月18日以开放获取形式发表于*Plant Physiology*期刊（2024年卷194期，774-786页）。

学术背景
干旱是全球农业生产最严重的非生物胁迫之一，水稻作为高耗水作物，其50%以上产量受干旱影响。气孔是植物水分和气体交换的主要通道，其运动受脱落酸（abscisic acid, ABA）调控。玉米Golden2-like（GLK）转录因子家族已知调控叶绿体发育和光合作用相关基因，但此前其在非生物胁迫（如干旱）中的作用尚不明确。本研究旨在揭示玉米GLK基因（*ZmGLK1*和*ZmG2*）通过ABA介导的气孔运动增强水稻抗旱性的分子机制，为培育高光合效率与抗旱性协同的水稻品种提供新靶点。

研究流程
1. 转基因材料构建与表型验证
- 材料：以水稻品种‘Kitaake’为野生型（WT），构建组成型表达*ZmGLK1*或*ZmG2*的转基因株系（*ZmUBIpro:ZmGLK1*和*ZmUBIpro:ZmG2*）。
- 干旱处理：盆栽实验中，对3周龄幼苗进行10天断水处理，随后复水6天，记录存活率；同时测定叶片相对含水量（RWC）。
- 渗透胁迫模拟：使用20% PEG 6000处理10天，测定光系统II最大量子效率（Fv/Fm）和RWC。

1. 气孔性状与光合参数分析

   • 气孔动态：通过扫描电镜（SEM）测量气孔密度、长度、开度及孔径比，比较转基因与WT在正常和干旱条件下的差异。
     
   • 光合测定：利用LI-6400XT光合仪测定净光合速率、气孔导度、胞间CO₂浓度（Ci）和蒸腾速率。
     

2. ABA介导的调控机制

   • 外源ABA处理：喷施100 μM ABA 2.5小时后，检测气孔导度和光合参数变化。
     
   • 内源ABA含量：通过HPLC-MS/MS定量干旱胁迫下叶片ABA积累量。
     

3. 分子机制解析

   • 转录组测序（RNA-seq）：对ABA处理3小时后的叶片进行全基因组表达分析，筛选差异表达基因（DEGs），并进行GO富集分析。
     
   • DNA亲和纯化测序（DAP-seq）：鉴定ZmGLK1和ZmG2在水稻基因组中的结合位点及核心 motifs（如GCCTCT和AGATTCT）。
     
   • 靶基因验证：通过RT-qPCR验证4个候选靶基因（*OsFTSH6*、*OsCYP714B1*、*OsRCCR1*、*OsSUB57*）在干旱下的表达模式。
     

主要结果
1. 抗旱性提升：转基因株系在干旱后存活率（53-64%）显著高于WT（14.3%），且RWC下降更缓慢（图1）。PEG胁迫下，转基因植株Fv/Fm值更高（0.793-0.803 vs. WT 0.765），表明光系统损伤更轻。

1. 气孔快速关闭：正常条件下，转基因株系气孔导度更高（0.118-0.139 vs. WT 0.083），但干旱7天后急剧下降（0.054-0.073），而WT变化不显著（图2, S2）。SEM显示转基因气孔密度高但尺寸小，干旱下孔径比显著降低。

2. ABA信号通路激活：外源ABA处理后，转基因株系气孔导度降幅更大（图4）；内源ABA含量在干旱下显著积累（图S5），且ABA合成基因（如*OsNCED2/3*）表达上调（图S6）。

3. 靶基因调控网络：RNA-seq与DAP-seq联合分析发现，ZmGLKs直接激活*OsFTSH6*等4个抗逆相关基因，其启动子区域存在强结合峰（图7）。这些基因参与PSII修复（*OsFTSH6*）、GA代谢（*OsCYP714B1*）和胁迫响应（*OsSUB57*）。

结论与意义
本研究首次揭示玉米GLK转录因子通过双重调控机制协调水稻光合效率与抗旱性：
1. 科学价值：发现GLK家族在ABA信号通路中的新功能，拓展了其对气孔运动的调控网络认知。
2. 应用价值：*ZmGLK1*和*ZmG2*可作为分子育种靶点，培育“高光合-抗旱”协同型水稻品种，应对气候变化下的粮食安全挑战。

研究亮点
1. 创新性发现：GLK基因通过ABA依赖性气孔关闭增强抗旱性，同时维持高光合能力，突破传统“光合-抗逆”权衡限制。
2. 方法学创新：结合DAP-seq与RNA-seq，精准鉴定ZmGLKs的直接靶基因。
3. 跨物种应用：玉米基因在水稻中的功能保守性验证，为C3-C4作物遗传改良提供新思路。

补充价值
研究数据已上传至NCBI（RNA-seq: PRJNA1018861；DAP-seq: PRJNA1019016），为后续研究提供资源。