第一作者讲坛|ABA类似物明显提高植物抗旱活性

编者按：iNature有幸邀请到中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组的曹民杰博士，为我们简要介绍一下刚发表的<Combiningchemical and genetic approaches to increase drought resistance in plants>文章

iNature：借助有机化学，生物化学，分子生物学和结构生物学等手段，逆境中心朱健康研究员领衔的团队成功获得一种小分子化合物AMF4，其与脱落酸（ABA）受体的亲和性较ABA提高十倍以上，外施在植物叶片上可以用来节水和抗旱。结合遗传手段提高ABA受体基因表达，使用该化合物可更大幅度地增强植物的抗旱性。相关研究成果“Combiningchemical and genetic approaches to increase drought resistance in plants”于10月30日在线发表于《自然•通讯》（Nature Communications）杂志上。

干旱是特定地区降水不足的表现，导致供水长期短缺，无论是在大气层，地表水还是地下水。干旱可以持续数月或数年。这可能对受影响地区的生态系统和农业产生重大影响，对当地经济造成损害。干旱是造成农作物减产的主要环境因素，世界银行的数据表明每年的农作物产量损失有超过半数是由干旱造成的。高温干旱对一季稻、玉米等秋收作物所造成的危害已无法挽回。据统计，高温干旱造成南方湘、黔、渝、浙、赣、鄂、皖等7省(市)农作物受灾8021千公顷、绝收1123千公顷，损失非常的大。所以对于寻找改良的抗旱的作物或者是方法迫在眉睫。

干旱的土地

ABA被广泛认为是专一对抗干旱等环境胁迫的植物激素，干旱环境可诱导植物合成大量ABA，加速气孔关闭，诱导胁迫相关基因的表达，从而提高植物的抗旱性。由于ABA受体PYL蛋白家族在高等陆生植物中高度保守，因此外施ABA可普遍适用于常见农作物和经济作物。但目前ABA同时存在合成纯化困难且在自然光下极易分解等缺点，长期以来并未像其他植物激素一样广泛应用于农业生产中，因此寻找可提高植物抗旱性的ABA功能类似物具有极大的应用潜力和市场价值。

植物相应干旱的应答

我们课题组在之前的工作中筛选到一个ABA功能类似物AM1（ABA mimic 1），该化合物在生化与植物生理实验中表现出与ABA相似的受体亲和性和生理活性，可通过结合PYL受体激活ABA信号通路，从而增强植物的抗旱性（Cao et al, Cell Research(2013) 23:1043–1054）。

ABA类似物的寻找

通过深入比较AM1和ABA的受体-配体复合物晶体结构，我们进一步优化AM1的分子结构，使其更好地与受体结合, 从而得到了一个新的ABA类似物AMF4。与AM1相比，AMF4可与PYL受体形成更多的氢键，导致其受体亲和性较ABA高出一个数量级。进一步研究证明AMF4具有与ABA高度相似的调控基因表达模式，表明AMF4借助植物体内的ABA信号通路发挥作用。在模式植物拟南芥和作物大豆中进行的一系列生理实验表明AMF4可在较ABA更低的浓度下抑制气孔开放且持续时间更久。

AMF明显增加抗旱活性

与ABA相比，喷施AMF4的植物表现出更强的抗旱性。在拟南芥和大豆中过表达ABA受体家族成员PYL2则可进一步放大AMF4化合物的效果，化合物与遗传改良植物联用存在协同作用，其对植物抗旱能力的提升要显著优于单独使用化合物或在植物体内过表达PYL2。该研究表明，借助于传统遗传手段，AMF4可帮助农作物更有效地对抗自然界中的干旱胁迫，从而提出通过跨学科交叉来提高作物抗逆性的新理念及技术实现。

化学及遗传学的方法进一步确认了AMF的抗旱活性

在此特别感谢文章的其他作者为这篇文章所付出的巨大努力，以及中国科学院为这项工作所提供的资助。

延伸阅读：

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01239-3

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通讯作者简介

朱健康教授

朱教授在1983-1987年之间，在北京农业大学（现为中国农业大学）获得农业化学学士学位；而后1987-1990年，在美国加州大学河滨分校，获植物学硕士学位；1990-1993年，美国普度大学，获植物生理学博士学位；1994年，美国洛克菲勒大学，获分子生物学博士后；1995-1996年，美国奥本大学植物与微生物学系担任助理教授；1996-1998年，美国亚利桑那大学植物科学系担任助理教授；1999-2000年，美国亚利桑那大学植物科学系担任副教授、2000年提升为教授；2004-2007年，美国加州大学河滨分校植物学与植物科学系担任特聘教授、研究所所长；2007-2010年，美国加州大学河滨分校植物学与植物科学系担任Jane Johnson讲座教授；2010-至今，美国普度大学生物化学与园艺及园林系杰出教授；2010年，当选美国科学院院士，在美国科学院迄今为止总共2076名院士中，42岁的他是最年轻的一位。同时，他也是新中国成立后第二位在中国内地接受大学教育的美国科学院院士；2011年，入选首批中央“千人计划”顶尖人才团队，中国科学院上海植物逆境生物学研究中心首席科学家。现在涉及的方向主要有以下6方面

1）渗透胁迫的感应和信号传导
2）低温胁迫的感应和信号传导
3）耐盐和耐氧化的机制
4）RNA介导的DNA甲基化
5）DNA去甲基化及其调控

6）gene editing

朱教授在Nature，Cell，Science，Plant Cell，PNAS 等顶尖杂志发表了近400篇文章，其领导的实验室在植物抗旱、耐盐与耐低温方面的研究硕果累累，在国内外享有盛誉。

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