发布日期：2024-07-26 19:42 点击次数：130
寰宇气温升高对作物分娩组成严重威胁，尤其是在作物生殖发育的要害阶段，高温威逼会导致小穗、小花发育格外，最终权贵责难谷物产量。大麦手脚进击的温带作物，其产量一样受到高温的严重影响。为了耕种耐热作物新品种，深化知道作物反应高温的遗传、分子及代谢机制至关进击。拟南芥中的高温反应机制磋商较为深化，波及PIF4、PhyB、ELF3等要害因子，但谷类作物（如大麦和小麦）对高温的反应模式及分子调控收罗与拟南芥存在权贵各异。大麦中的光周期反应基因PHOTOPERIOD1(PPD-H1)，是拟南芥生物钟基因PSEUDORESPONSEREGULATOR(PRR)的同源基因，已知其不仅调控大麦对光周期的着花反应，还在高温反应中演出进击变装。捎带不同PPD-H1等位基因的大麦品种在高温下进展出不同的着花时期和育性流露性，但这背后的分子机制，特等是其是否寂寞于经典的着花素FT通路，尚不解确。因此，本磋商旨在深化剖释PPD-H1基因突出与高温互作，调控大麦滋长发育、穗发育和育性的分子及生理机制。
德国海因里希·海涅大学杜塞尔多夫分校植物遗传学磋商所的MariavonKorff团队在PlantPhysiology发表题为“PHOTOPERIOD1enhancesstressresistanceandenergymetabolismtopromotespikefertilityinbarleyunderhighambienttemperatures”的论文，揭示了野生型Ppd-H1基因通过增远大麦的威逼抗性和能量代谢，从而在高温环境下流露生殖发育、小花育性和籽粒建成。
主要磋商恶果先容
实验材料与缱绻：
磋商中式了捎带不同PPD-H1等位基因的两对寂寞的近等基因系（NILs）和一个CRISPR/Cas9指令的突变体。主要磋商对象是春大麦品种GoldenPromise(GP)，其捎带一个自然突变的ppd-h1等位基因（CCT结构域发生Gly657Trp替换）；以突出对应的近等基因系GP-fast，捎带来自冬大麦品种Igri的野生型Ppd-H1等位基因。此外，磋商东谈主员在GP-fast配景下，应用CRISPR/Cas9时刻构建了一个新的突变体ppd-h1.1，该突变体由于一个碱基插入导致PPD-H1卵白C端CCT结构域缺失，表型与自然ppd-h1访佛，且不影响生物钟基因的日夜节奏抒发（补充图S1,S2）。另一双寂寞的考据材料是春大麦品种Scarlett(ppd-h1)突出近等基因系S42-IL107(Ppd-H1)。总共材料在长日照（LD,16h光/8h暗）条目下，永别在对照温度（CT,20°C/16°C）和高温（HT,28°C/24°C）下培养。
高温暖PPD-H1对大麦滋长发育的影响：
表型分析败露，PPD-H1与环境温度权贵互作，调控大麦的着花时期。在CT下，捎带突变型ppd-h1的GP和ppd-h1.1着花较晚，而捎带野生型Ppd-H1的GP-fast着花较早。在HT下，ppd-h1基因型的着花时期进一步推迟了约10天，而Ppd-H1基因型的着花时期则提前了约4天（图1A-B）。通过剖解主茎尖端分生组织（MSA）并字据Waddington分期评估发育进度，发现总共基因型在HT下从养分滋长到小穗肇端（W2.0）的转念都延长了。但是，在随后的穗发育阶段（W2.0-W10.0），HT延长了ppd-h1基因型（GP,ppd-h1.1）的发育进度，却加快了Ppd-H1基因型（GP-fast）的发育进度（图1C）。这标明PPD-H1依赖的高温对花发育的影响是导致着花时期各异的主要原因。此外，HT权贵责难了总共基因型的株高（图1F,补充图S3C），但增多了晚花ppd-h1基因型的分蘖数和穗数（图1D-E,补充图S3A,B,D）。HT还加快了叶片出现速度（LAR）（补充图S4A），并改革了叶片形态（多数叶片变长变窄，旗叶变短变窄），且这种形态变化在GP(ppd-h1)中更权贵（补充图S4B）。叶片剖解分析标明，这可能与HT下细胞尺寸减小和细胞数目增多关联（补充图S4C-E）。同期，HT下ppd-h1基因型的叶片虚弱速度更快（补充图S4F）。这些恶果标明，HT与PPD-H1互作调控花序发育、着花时期、分蘖数和叶片虚弱，而株高、叶片建成速度和叶形变化则似乎不依赖于PPD-H1。
图1
高温暖PPD-H1对穗发育和育性的调控：
参加生殖滋长后，不定型的穗原基（IM）开动分化产生小穗分生组织（SM）。磋商发现，在CT下，晚花的ppd-h1基因型（GP,ppd-h1.1,Scarlett）产生的SM、花分生组织（FM）和小花数目多于早花的Ppd-H1基因型（GP-fast,S42-IL107）（图2A-C,补充图S5,表S1）。在HT下，Ppd-H1基因型由于生殖发育加快，SM和FM指令期镌汰，最终的SM、FM和小花数目减少。而在ppd-h1基因型中，自然HT延长了生殖滋长期，但SM、FM和小花数目仍然减少（图2A-C,补充图S5,表S1）。这种各异与SM和FM的指令速度变化关联。HT提高了Ppd-H1基因型的SM指令速度（GP-fast:1.3→1.6SMs/天;S42-IL107:1.9→2.1SMs/天），但责难了ppd-h1基因型的SM指令速度（GP:1.6→0.8SMs/天;ppd-h1.1:1.7→1.3SMs/天;Scarlett:1.4→1.1SMs/天）（图2A,补充图S5,表S1）。FM指令速度也呈现相似的模式。这标明HT与PPD-H1互作影响IM的活性和守护，进而调控SM/FM的指令速度。尽管在两种温度下ppd-h1基因型的主穗SM、FM和小花总额频繁更多，但在HT条目下，其最终的籽粒数却权贵低于Ppd-H1基因型（图2B-D,补充图S7A-C）。在CT下，Ppd-H1基因型的穗育性（每小花形成的籽粒数）高达90-100%，ppd-h1基因型为70-80%。但是在HT下，Ppd-H1基因型仍能守护约80%的育性，而ppd-h1基因型的育性则骤降至0-20%（图2E,补充图S7D,表S1）。HT导致ppd-h1基因型在穗的总共节位都发生严重的小花败育（补充图S7E-F），尤其是在穗基部和穗尖端。不雅察发现，HT下ppd-h1基因型的花药发育严重受阻，进展为花药小、色白、空瘪（图2F），花粉活力也权贵责难，而Ppd-H1基因型的花粉活力则相对流露（图2F,补充图S7G-J）。这标明Ppd-H1通过调控花药和花粉发育来守护高温下的育性。此外，HT导致籽粒变长变窄，并责难千粒重，但这与PPD-H1基因型无关（补充图S7K-M）。
图2
PPD-H1介导的高温反应转录组和植物激素变化：
为了揭示PPD-H1调控高温反应的分子机制，磋商东谈主员对GP和GP-fast在CT和HT下不同发育时期（W1.0,W2.0,W3.5,W6.0）的叶片和MSA进行了转录组测序，并对ppd-h1.1、Scarlett和S42-IL107的部分样本进行了考据。主要素分析（PCA）败露，温度是叶片转录组各异的主要开始，而发育时期是MSA转录组各异的主要开始（补充图S8）。权贵性分析标明，迪士尼极速时时彩乐园反应HT的各异抒发基因（DEGs）数目在ppd-h1基因型（GP）中远多于Ppd-H1基因型（GP-fast），尤其是在较晚的花发育期（W6.0），标明ppd-h1基因型对高温更敏锐，老成性较差（图3B-C,补充图S9）。基因执行（GO）富集分析败露，在叶片和MSA中，HT上调的DEGs主要富集在威逼反应、转录和翻译调控等通路，举例热激卵白（HSPs）、热激转录因子（HSFs）和活性氧断根剂干系基因被上调。而HT下调的DEGs主要与光勾通用（光反应和碳固定）干系（图3D,补充图S10,数据集4,5）。真谛的是，组卵白变体和染色质重塑干系基因在叶片中被HT上调，但在MSA中被下调（图3D-F）。这些转录变化在ppd-h1突变体中更为剧烈。进一步比较基因型各异发现，不管在CT照旧HT下，与Ppd-H1野生型比较，ppd-h1突变体叶片中威逼反应基因抒发上调，而MSA中光勾通用和能量代谢干系基因抒发下调（图4A-B,数据集4,5）。这标明Ppd-H1本人具有扼制威逼反应、促进能量代谢的功能。
图3
朱辰杰选择留在上海申花，逐渐成为队内的主力，并因此入选国足。吴少聪选择留洋，面对激烈的竞争，出场时间严重不足。当国足主教练伊万对他考察时，他的状态难以让伊万满意。
为了考据PPD-H1在威逼抗性中的作用，磋商测量了威逼干系激素（零散酸ABA、水杨酸SA）和正式干系化合物（吲哚-3-甲酸I3CA）的含量。恶果败露，HT权贵提高了GP(ppd-h1)叶片和MSA中的ABA和I3CA含量，但在GP-fast(Ppd-H1)中无权贵变化（图4C-D）。SA在GP叶片中被HT指令，但在GP-fast叶片和总共基因型的MSA中不受影响（图4C-D）。这些恶果确证了Ppd-H1在增强威逼抗性和守护性状稳态（canalisation）中的作用。
图4
能量代谢和花粉发育干系基因是PPD-H1调控高温育性的要害：
磋商东谈主员试图寻找与PPD-H1依赖的高温发育模式干系的要害发育调控基因。但是，经典的着花调控基因如FT1（叶片中）、VRN1（叶片中）、FT2（MSA中）以及多个MADS-box基因（MSA中）在总共基因型中均被HT下调，其抒发模式无法解释HT对不同PPD-H1基因型形成的相背的着花时期效应（补充图S11）。对MSA中的DEGs进行加权基因共抒发收罗分析（WGCNA），已然出5个与HT和PPD-H1依赖的发育时期、花序发育和穗育性权贵干系的基因模块（C1-C5）（图5A,补充图S12,数据集5,6）。其中，模块C3包含已知的干细胞守护基因（如CEN,ALOG2,WOX同源基因），在发育经由中抒发下调，且在ppd-h1中受HT扼制更强（图5A-B,补充图S13A）。模块C4包含染色质拼装、细胞周期和分裂干系基因，与SM指令速度正干系，在ppd-h1中受HT扼制也更强（图5B,补充图S13B）。最为要害的是模块C2，其基因抒发模式与PPD-H1依赖的HT下花序发育加快/延长征象高度干系（图5A-B）。该模块富集了多半参与碳水化合物转运和能量代谢（TCA轮回、光勾通用、糖酵解、磷酸戊糖阶梯）的基因。这些基因在HT下，在ppd-h1突变体的MSA中权贵下调，但在Ppd-H1野生型中抒发上调或保抓流露（补充图S13C）。举例，原叶绿素酸酯氧化规复酶A、光系统I和II反应中心亚基、叶绿素a/b皆集卵白（CAB）、多个SWEET糖转运卵白和酸性β-呋喃果糖苷酶（将蔗糖水解为葡萄糖和果糖供库器官应用）等基因均进展出这种模式（图5B-C,补充图S13C）。与在ppd-h1突变体中不雅察到的花药和花粉发育劣势一致，模块C2还包含多个花药和花粉发育干系基因，如bHLH89转录因子、3-酮脂酰辅酶A合酶5、磷酸酒精胺N-甲基滚动酶1以及花粉活力调度因子胼胝质合酶5等，这些基因在W6.0时期（花器官锻练期）的ppd-h1突变体MSA中被HT激烈下调，但执政生型中不受影响（图5C,补充图S13C）。此外，一些可能参与发育启动和花粉发育的HSPs基因也在W6.0时期呈现相似的抒发模式（补充图S13C）。同期，模块C2中还有一些激素信号和合成干系基因（如SAUR类滋长素反应卵白、GATA转录因子、YUCCA9同源基因）在HT下于GP中下调，但在GP-fast中不受影响（图5B-C,补充图S13C）。进一步检测发育干系激素（滋长素IAA、赤霉素GAs、细胞分裂素CKs）在W5.5时期MSA中的含量，发现HT责难了两种基因型的IAA水平，但在GP(ppd-h1)中责难幅度更大（图5D）。一样，主要的赤霉素（GA44,GA20,GA8）含量在HT下的GP中被激烈扼制，而在GP-fast中则与CT水平特等，以致GA19水平还有所升高（图5E,补充图S14）。活性细胞分裂素iPR（N6-异戊烯基腺嘌呤）在CT下GP中含量就低于GP-fast，HT处治进一步责难了GP中的iPR含量，但在GP-fast中无权贵变化（图5F）。相背，非活性的储存型细胞分裂素cZOG（顺式玉米素-O-葡萄糖苷）在HT下的GP中积蓄，但在GP-fast中不受影响（图5F）。这些恶果标明，HT通过PPD-H1依赖的方式影响碳水化合物代谢、激素信号以及花粉和花药发育。野生型Ppd-H1通过守护能量供应和符合的激素水平，保险了高温下的泛泛生殖发育。
图5
全文追想与瞻望
本磋商系统揭示了大麦PHOTOPERIOD1(PPD-H1)基因在调控高温适合性中的要害作用。磋商阐述，PPD-H1的CCT结构域关于其调控长日照和高温下的发育时期至关进击，但并不影响生物钟的泛泛飘荡。与捎带常见ppd-h1突变等位基因的大麦比较，捎带野生型Ppd-H1等位基因的大麦在高温威逼下进展出更强的表型和转录组老成性（环境适合性）。这种老成性与其在高温下更高的育性和产量后劲奏凯干系。以往磋商觉得PPD-H1对非生物威逼的适合性影响主要通过改革着花时期来适合滋长季节，但本磋商初次解释PPD-H1在早期发育阶段就奏凯参与调控威逼抗性，这体当今其对威逼干系基因抒发和激素（ABA,SA,I3CA）水平的流露作用上。这与拟南芥中prr突变体进展出更强威逼耐受性的征象形成对比，标明PPD-H1/PRR基因在不同物种间的功能可能存在分化。磋商进一步发现，PPD-H1对高温下着花时期的调控并非通过经典的着花素FT1或FT2阶梯，而是与能量代谢密切干系。野生型Ppd-H1八成守护以致上调发育中花序（MSA）中参与能量代谢（光勾通用、TCA轮回、糖酵解等）和糖转运的要害基因抒发，确保花药和花粉发育的能量供应。同期，Ppd-H1还能守护MSA中滋长素、赤霉素和活性细胞分裂素等要害发育激素的稳态。相背，ppd-h1突变体在高温下进展出激烈的威逼反应，能量代谢通路被扼制，发育激素水平失衡，导致花药败育、花粉失活，最终育性大幅下落。说七说八，野生型Ppd-H1通过增强威逼抗性、守护活跃的能量代谢和流露的激素环境，灵验缓解了高温对大麦生殖发育的不利影响，保险了穗的育性。这些发现不仅深化了对作物耐热机制的知道，也突显了PPD-H1手脚校清廉麦及可能其他谷类作物耐热性的进击基因资源和育种靶点，关于耕种适合过去表象变化的作物品种具有进击真谛真谛。过去的磋商可进一步探索PPD-H1卵白奏凯或曲折调控卑劣能量代谢和激素通路基因的分子机制。
磋商团队与资助
该磋商由德国海因里希·海涅大学杜塞尔多夫分校植物遗传学磋商所（InstituteofPlantGenetics迪士尼彩乐园专注彩票,Heinrich-Heine-UniversitätDüsseldorf）主导完成。第一作家：TianyuLan¹通信作家：MariavonKorff¹,⁴*(¹InstituteofPlantGenetics,Heinrich-Heine-UniversitätDüsseldorf;⁴ClusterofExcellenceonPlantSciences“SMARTPlantsforTomorrow'sNeeds")该磋商获得了德国科学基金会（DFG）的超卓政策口头、中德勾互市酌口头以及中国国度留学基金委（ChinaScholarshipCouncil）等的资助。