南京农业大学:苹果β-淀粉 酶基因家族新成员MdBAM17正调控淀粉降解加入ALA诱导的气孔开放
2024-09-15 来自: 南京凯发k8生物科技有限公司 浏览次数:6
克日,Horticultural Plant Journal在线揭晓了南京农业大学园艺学院汪良驹教授团队题为“MdBAM17, a novel member of the β-amylase gene family, positively regulates starch degradation in ALA-induced stomatal opening in apple (Malus × domestica) (苹果β-淀粉梅基因家族新成员MdBAM17正调控淀粉降解加入ALA诱导的气孔开放)”的研究论文。
研究配景淀粉作为植物光合碳同化的主要产品,对气孔周期性昼夜开闭历程具有主要调理作用。(BAM)作为淀粉降解的要害酶类,已被证实能够增进淀粉的快速降解,促使气孔开启。然而,除拟南芥外,其他高等植物BAM的功效及其调控机制还相识甚少。
5-氨基乙酰丙酸(ALA)是一种主要的植物生长调理物质,其改善植物光合碳牢靠能力与其调控气孔运动亲近相关。本团队的研究已经证实,ALA能够逆转ABA引起的气孔关闭,从而增进逆境中气孔开放,增强光合固碳和农业增产增效。可是,人们对顺境下ALA怎样增进气孔开放的作用机理缺乏相识。此前多项研究指出,ALA加入植物淀粉代谢调控。据此推测,ALA调控的气孔运动可能与淀粉降解相关。
研究问题
在正常生长条件下,探讨ALA对苹果叶片气孔运动的调理作用,剖析其与守卫细胞淀粉代谢之间的相互关系及其潜在的作用机理。
研究效果
(1)在一样平常的昼夜节律中,外源ALA处置惩罚能够增进光照后叶片气孔迅速开放,增大气孔开度。这种效应能够一连6-9 h(Fig.1, A, D)。使用mPS-PI和I2-KI两种要领染色以及(BAM)活性检测效果批注,ALA增进苹果叶片守卫细胞淀粉含量下降(Fig.1, B, C, E),同时增进下表皮BAM活性上升(Fig.1, F)。这批注ALA可能通过BAM介导守卫细胞淀粉降解进而加入气孔运动调理。
Fig.1 Dynamic changes of stomatal apertures, starch granules, and β-amylase activity within guard cells of apple leaves treated with ALA or not
(2)对苹果等10个蔷薇科物种BAM基因家族成员的进化守旧性剖析发明,苹果MdBAM17/20等同处于Group II-A分支上的13个BAM成员(除PbrBAM1b)与拟南芥AtBAM1高度守旧。由于AtBAM1加入守卫细胞淀粉降解历程,因而推测,MdBAM17/20可能具有类似生物学功效(Fig.3)。
Fig.3 The gene structure, conserved motif distribution, multiple sequence alignment, and collinear correlation of the AtBAM1 orthologous genes in ten species of Rosaceae
(3)基因表达模式及其与BAM活性、守卫细胞相对淀粉含量以及气孔开度的相关性剖析批注,MdBAM17在ALA调理的守卫细胞淀粉代谢和气孔运动历程中可能施展正调控作用(Fig.4)。亚细胞定位显示,MdBAM17与AtBAM1亚细胞定位效果一致,均位于叶绿体内(Fig.5, A)。组织特异性表达剖析显示,MdBAM17能够在守卫细胞中表达(Fig.5, B, C),且受ALA诱导(Fig.5, B-E)。
Fig.4 Relative expression of MdBAM17/20 in ALA-treated apple leaves and the correlation analysis between genes expression and β-amylase activity, relative starch amount, and stomatal apertures
Fig.5 MdBAM17 subcellular localization and effects of ALA on promoter activity of MdBAM17
(4)在苹果叶片中瞬时过表达(OE-)或默然表达(RNAi-)MdBAM17能够显著影响守卫细胞内淀粉含量、BAM活性以及气孔开度(Fig.6)。ALA对守卫细胞淀粉含量、BAM活性以及气孔开度的调理作用在OE-或RNAi-MdBAM17叶片中被响应的显著增强或削弱(Fig.6)。这些效果批注,MdBAM17是介导守卫细胞淀粉降解进而加入ALA调控苹果叶片气孔开放的要害基因。
Fig.6 OE- or RNAi-MdBAM17 and ALA treatment affect the
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(4)在苹果叶片中瞬时过表达(OE-)或默然表达(RNAi-)MdBAM17能够显著影响守卫细胞内淀粉含量、BAM活性以及气孔开度(Fig.6)。ALA对守卫细胞淀粉含量、BAM活性以及气孔开度的调理作用在OE-或RNAi-MdBAM17叶片中被响应的显著增强或削弱(Fig.6)。这些效果批注,MdBAM17是介导守卫细胞淀粉降解进而加入ALA调控苹果叶片气孔开放的要害基因。
(5)检测瞬时过表达(OE-)或默然表达(RNAi-)MdBAM17的苹果叶片黄酮醇和H2O2含量效果显示,MdBAM17表达量的多寡并不影响ALA对守卫细胞黄酮醇和H2O2含量的调控作用(Fig.7)。而外源H2O2处置惩罚显著限制BAM活性和守卫细胞淀粉降解,但ALA能够有用降低ROS含量,缓解这种抑制效果(Fig.S6)。这些效果批注,ALA经由MdBAM17增进淀粉降解进而调控气孔开放的机制处于守卫细胞活性氧(ROS)信号通路的下游。
由于ROS属于逆境或ABA信号调控通路,在顺境条件下,ROS含量很低,因而,植物叶片气孔开度主要由BAM/淀粉信号来调理。
本研究探讨了ALA在非逆境(无ABA/ROS保存)下调控苹果叶片气孔运动的机理,展现了MdBAM17基因、BAM活性以及守卫细胞淀粉代谢介导气孔运动的分子机制,为正常生长发育条件下ALA增进叶片气孔开放与提高植物光合固碳能力提供了科学依据。