近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院謝慶軍課題組在中科院一區(qū)Top期刊Plant，Cell & Environment (IF5-year=7.6)在線發(fā)表了題為“Duplicated OsATG9 Genes Antagonise Autophagy to Balance Growth and Drought Tolerance in Rice”的研究論文。文章報道了OsATG9a和OsATG9b基因通過拮抗自噬平衡水稻生長與抗旱性，為水稻生長和抗性協(xié)同改良提供了新見解。
在真核生物基因組進(jìn)化過程中，基因復(fù)制事件頻繁發(fā)生，通常通過功能冗余機(jī)制增強(qiáng)生物在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性。然而，多拷貝基因是否會產(chǎn)生功能分化仍有待闡明。該研究以水稻自噬相關(guān)基因OsATG9a和OsATG9b為研究對象，系統(tǒng)解析其在生長發(fā)育及干旱脅迫響應(yīng)中的生物學(xué)功能。自噬作為一種進(jìn)化保守的細(xì)胞降解途徑，通過循環(huán)利用細(xì)胞組分在多種生理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
該研究表明，在正常生長情況下，OsATG9a和OsATG9b均參與自噬過程并表現(xiàn)出功能冗余性，共同調(diào)控水稻籽粒大小、株高、分蘗數(shù)、一級枝梗數(shù)和穗長等性狀。在干旱脅迫條件下，Osatg9a突變體的存活率顯著低于野生型，該表型與其他Osatg突變體一致。然而，Osatg9b突變體表現(xiàn)出獨(dú)特的脅迫響應(yīng)特征：其干旱脅迫后的存活率顯著高于野生型，與Osatg9a呈現(xiàn)相反表型。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Osatg9a突變體的自噬活性在干旱條件下減弱，而Osatg9b突變體的自噬活性增強(qiáng)且超過野生型響應(yīng)水平。值得注意的是，過表達(dá)OsATG9b導(dǎo)致干旱脅迫下存活率降低和自噬誘導(dǎo)減弱。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與野生型對比，Osatg9a和Osatg9b突變體中脫落酸（ABA）信號通路相關(guān)基因的表達(dá)模式呈現(xiàn)顯著差異。這些結(jié)果表明，OsATG9a在干旱脅迫下正調(diào)控自噬，而OsATG9b則發(fā)揮抑制作用，兩者通過差異調(diào)控ABA信號通路實(shí)現(xiàn)功能分化。這一發(fā)現(xiàn)揭示了水稻多拷貝基因在進(jìn)化過程中形成的新型功能特異性。本研究為解析多拷貝基因在進(jìn)化過程中的功能分化提供了新見解。
OsATG9a和OsATG9b調(diào)控水稻生長與抗旱機(jī)制模式圖
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院畢業(yè)博士生李一鳴、柳元泰和畢業(yè)碩士生史夢召為論文共同第一作者，謝慶軍教授和楊倩穎副教授為共同通訊作者。該研究得到了科技創(chuàng)新2030—農(nóng)業(yè)生物育種重大專項子課題(2023ZD040710104)、國家自然科學(xué)基金(32301829，32472126)、廣東省自然科學(xué)基金面上項目(2024A1515010610，2024A1515012928)、廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究專題項目(2024A04J4039)、“十四五”廣東省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新十大主攻方向“揭榜掛帥”項目子課題(2022SDZG05)、廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項資金種業(yè)振興項目課題(2022-NJS-15-001)、“西部之光”西部交叉團(tuán)隊重點(diǎn)實(shí)驗室專項計劃(xbzg-zdsys-202111)以及“雙一流”學(xué)科提升項目(2021B10564001)等資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.15620
文圖/農(nóng)學(xué)院
