Overexpression of the phosphatidylinositol synthase gene (ZmPIS) conferring drought stress tolerance by altering membrane lipid composition and increasing ABA synthesis in maize
- 作者
- XIUXIA LIU, SHUMEI ZHAI, YAJIE ZHAO, BAOCHENG SUN, CHENG LIU, AIFANG YANG, JUREN ZHANG
- 单位
- School of Life Science, Shandong University; School of Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University; Institute of Grain Crops, Xinjiang Academy of Agriculture Science
- 杂志
- Plant, Cell & Environment（2013）
- DOI
- 10.1111/pce.12040
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
玉米是重要的粮食作物，对干旱敏感，尤其在花期。本研究旨在通过过表达磷脂酰肌醇合酶基因ZmPIS，提高玉米的抗旱性并解析其分子机制。
研究策略
利用农杆菌介导法将玉米泛素启动子驱动的ZmPIS正义和反义基因导入优良自交系DH4866，获得转基因株系。通过脂质组学分析（ESI-MS/MS）、实时定量PCR、ABA含量测定及田间干旱胁迫试验，综合分析ZmPIS过表达对膜脂组成、ABA合成和抗旱性的影响。
核心内容
该研究通过农杆菌介导法在玉米自交系DH4866中过表达或抑制磷脂酰肌醇合酶基因ZmPIS，系统解析了其调控抗旱性的分子机制。脂质组学分析显示，干旱胁迫下正义株系多数膜脂水平显著升高，磷脂酸含量增加90%，而野生型中多种膜脂大幅下降；复水后正义株系DGDG和MGDG分别恢复至胁迫前的97%和89%，高于野生型的90%和77%。ZmPIS过表达还上调了磷脂信号通路（ZmPLC、ZmPLD）及ABA合成相关基因（ZmNCED、ZmABA1等）的表达，干旱后ZmPLD表达较胁迫前增加18倍。生理层面，干旱第10天正义株系叶溶质势为-0.99 MPa，显著低于野生型的-0.87 MPa，且花期干旱后ASI缩短、籽粒产量显著提高。结果表明ZmPIS通过增加磷脂酰肌醇合成，激活磷脂信号通路和ABA生物合成，重塑膜脂组成、增强渗透调节和光合能力，最终提升玉米抗旱性与产量，是作物抗旱育种的重要候选基因。
创新点
首次在玉米中过表达ZmPIS，证明其通过改变膜脂组成和增加ABA合成提高抗旱性；同时发现ZmPIS过表达可上调多个脂质代谢和ABA合成相关基因，并在干旱胁迫下提高光合能力和产量。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 磷脂酰肌醇合成通路 | ZmPIS | Phosphatidylinositol synthase | 催化 | 过表达提高PtdIns合成，正义株系表达量提高1.70-2.46倍 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 磷脂信号通路 | ZmPLC | Phospholipase C | 催化 | 干旱胁迫下表达上调，正义株系中显著高于野生型 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 磷脂信号通路 | ZmPLD | Phospholipase D | 催化 | 干旱胁迫后表达量比胁迫前增加18倍 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 磷脂酸代谢 | ZmDGK1 | Diacylglycerol kinase 1 | 催化 | 干旱胁迫下表达上调 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 磷脂酸代谢 | ZmDGK3 | Diacylglycerol kinase 3 | 催化 | 干旱胁迫下表达上调 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 磷脂酰肌醇磷酸化 | ZmPIP5K9 | Phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase 9 | 催化 | 干旱胁迫下表达上调，复水后仍保持较高水平 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | ABA生物合成 | ZmABA1 | Zeathanxin epoxidase | 催化 | 干旱胁迫下表达上调，正义株系中显著高于野生型 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | ABA生物合成 | ZmNCED | 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase | 催化 | 干旱胁迫下表达上调 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | ABA生物合成 | ZmAAO1 | ABA-aldehyde oxidase 1 | 催化 | 干旱胁迫下表达上调 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | ABA生物合成 | ZmAAO2 | ABA-aldehyde oxidase 2 | 催化 | 干旱胁迫下表达上调 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | ABA生物合成 | ZmSCA1 | Short chain alcohol dehydrogenase 1 | 催化 | 干旱胁迫下表达上调，复水后仍维持较高水平 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 脯氨酸合成 | ZmP5CS | Pyrroline-5-carboxylate synthase | 催化 | 干旱胁迫下表达上调，正义株系中高于野生型 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 脂肪酸去饱和 | ZmFAD7 | Omega-3 fatty acid desaturase 7 | 催化 | 干旱胁迫下表达下调，但正义株系中仍高于野生型 |
| 玉米 (Zea mays L. DH4866) | 脂肪酸去饱和 | ZmFAD8 | Omega-3 fatty acid desaturase 8 | 催化 | 干旱胁迫下表达下调，但正义株系中仍高于野生型 |
关键发现
- ZmPIS在正义株系中表达量提高1.70–2.46倍，反义株系中降至野生型的0.41–0.83倍。干旱胁迫下，正义株系中多数膜脂水平显著升高，PtdOH含量增加90%（从0.38至0.72 nmol mg^-1 DW）
- 野生型中PtdEtN、PtdCho、PtdGro、PtdIns、PtdSer、DGDG和MGDG分别下降40%、17%、36%、40%、47%、6%和18%。复水后正义株系DGDG和MGDG恢复至胁迫前的97%和89%，高于野生型的90%和77%。ZmPLD表达在干旱胁迫后比胁迫前增加18倍。干旱第10天，正义株系L3的叶溶质势为-0.99 MPa，显著低于野生型的-0.87 MPa和反义系的-0.77 MPa。正义株系在花期干旱胁迫后ASI缩短，籽粒产量显著高于野生型。
研究结论
ZmPIS过表达通过增加PtdIns合成，促进磷脂信号通路和ABA生物合成，进而改变膜脂组成、增强渗透调节和光合能力，最终提高玉米抗旱性和产量。表明ZmPIS是作物抗旱育种的重要候选基因。