欽 鵬，張國華，胡彬華，李仕貴

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，成都 611130）

水稻是全世界一半以上人口的主食，其產(chǎn)量直接影響世界糧食安全。隨著全球氣候變暖，每年因溫度升高造成世界水稻產(chǎn)量損失達(dá)到25%以上[1-2]。水稻灌漿期極易遭遇夏季高溫危害，導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收。解析高溫影響水稻灌漿的分子機制，對培育耐高溫水稻新品種，確保水稻高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)具有重要意義。

脫落酸（abscisic acid，ABA）作為調(diào)控植物生長發(fā)育和逆境脅迫反應(yīng)的重要植物激素，其組織間的長距離轉(zhuǎn)運現(xiàn)象早在半個世紀(jì)前被發(fā)現(xiàn)[3]。在近半個世紀(jì)內(nèi)，ABA長距離運輸在多個物種中進(jìn)行了廣泛的研究[4-8]，但由于缺乏直接的遺傳學(xué)材料，其長距離轉(zhuǎn)運的生物學(xué)意義至今仍未有明確定論。在調(diào)控ABA長距離轉(zhuǎn)運的分子機制方面，盡管在擬南芥和水稻中克隆了幾個參與ABA細(xì)胞水平轉(zhuǎn)運的蛋白[9-13]，但ABA長距離轉(zhuǎn)運的分子機制目前完全不清楚。

筆者8年前在雜交稻骨干親本蜀恢527的EMS誘變突變體庫中獲得一份水稻籽粒灌漿缺陷突變體，命名為 dg1（defective grain-filling 1）。與野生型相比，該突變體表現(xiàn)為灌漿時間延長27 d，并有24.68%種子不能完全填充（圖1）?；蚨ㄎ话l(fā)現(xiàn)LOC_Os03g12790基因中的一個導(dǎo)致蛋白提前終止的單堿基突變與表型完全連鎖。該基因編碼一個MATE（multidrug and toxic compound extrusion）轉(zhuǎn)運蛋白，基因敲除和互補實驗表明該MATE轉(zhuǎn)運蛋白的突變導(dǎo)致了突變體dg1籽粒灌漿缺陷表型。由于擬南芥ABA合成缺陷突變體表現(xiàn)出與dg1類似的種子發(fā)育缺陷表型，因此推測DG1蛋白轉(zhuǎn)運底物為ABA。筆者首先利用非洲爪蟾卵母細(xì)胞系統(tǒng)和3H-ABA在水稻原生質(zhì)體轉(zhuǎn)運系統(tǒng)證實了DG1蛋白具有外排ABA活性。亞細(xì)胞定位發(fā)現(xiàn)DG1主要定位在細(xì)胞膜上，該結(jié)果再次支持DG1具有外排ABA活性的結(jié)論。

圖1 dg1突變體種子灌漿缺陷表型Figure 1 The defective grain filling phenotype of dg1

為確認(rèn)dg1灌漿缺陷是否由于穎果中ABA含量降低導(dǎo)致，筆者測定了野生型和dg1突變體穎果，以及同時期莖稈和葉片中的ABA含量，發(fā)現(xiàn)與野生型相比，dg1穎果中ABA含量顯著低于野生型，但葉片和莖稈中的ABA含量卻高于野生型?；诖私Y(jié)果，筆者大膽推測穎果中的ABA主要來源于葉片。為了驗證該猜想，筆者測定了ABA合成前體，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)ABA合成前體位于葉片中，并且含量在野生型和dg1無明顯差異；結(jié)合了葉片3H-ABA feeding實驗，發(fā)現(xiàn)到達(dá)dg1穎果和莖稈的3H-ABA比例顯著低于野生型；利用免疫熒光實驗分析了DG1在節(jié)中的表達(dá)位置，發(fā)現(xiàn)了DG1主要位于擴大維管束和擴散維管束間的薄壁細(xì)胞特異表達(dá)，該類細(xì)胞對影響物質(zhì)從葉片到穎果的長距離轉(zhuǎn)運具有重要作用。綜上，筆者從遺傳學(xué)、生理學(xué)、組織細(xì)胞學(xué)角度揭示了水稻穎果中多數(shù)ABA來源于葉片，闡明了該長距離轉(zhuǎn)運受DG1調(diào)控的分子機制。

同時筆者意外發(fā)現(xiàn)高溫下dg1具有更強的灌漿缺陷表型。通過可控溫度下的遺傳表型，表達(dá)量分析和莖稈3H-ABA feeding等實驗，確認(rèn)了高溫度下dg1灌漿缺陷表型更明顯；發(fā)現(xiàn)了高溫下野生型與dg1穎果中的3H-ABA比例的差異遠(yuǎn)高于溫和溫度下二者的差異。另外，一系列表達(dá)分析實驗發(fā)現(xiàn)ABA可激活多個淀粉合成關(guān)鍵基因的表達(dá)，從而促進(jìn)水稻籽粒灌漿充實。

綜上所述，該研究闡明了水稻擁有一套從葉片到穎果的ABA長距離轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，揭示了MATE轉(zhuǎn)運蛋白DG1調(diào)控該系統(tǒng)的分子機制，明確了ABA長距離運輸響應(yīng)溫度從而確保不同溫度下種子正常發(fā)育的生物學(xué)意義（圖2）。

圖2 DG1蛋白調(diào)控水稻ABA長距離運輸及穎果發(fā)育模式圖Figure 2 A model illustrating the function of leaf-derived ABA in regulating seed development by DG1 in rice