Overexpression of Tonoplast Ca2+-ATPase in Guard Cells Synergistically Enhances Stomatal Opening and Drought Tolerance
- 作者
- Jinghan Su, Bingqing He, Peiyuan Li, Baiyang Yu, Qiwen Cen, Lingfeng Xia, Yi Jing, Feibo Wu, Rucha Karnik, Dawei Xue, Michael R. Blatt, Yizhou Wang
- 单位
- Institute of Crop Science, Zhejiang University; Laboratory of Plant Physiology and Biophysics, University of Glasgow; BGI Research, Sanya; College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University; Zhejiang Provincial Key Laboratory of Crop Germplasm, Zhejiang University
- 杂志
- Journal of Integrative Plant Biology（2024）
- DOI
- 10.1111/jipb.13721
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
同时提高气孔开度和干旱耐受性存在固有矛盾，因为增大气孔开度会促进CO2吸收和光合作用，但也会增加蒸腾失水，降低干旱耐受性。
研究策略
利用OnGuard定量模型进行in silico分析，预测过表达液泡Ca2+-ATPase（ACA11）可同时增强气孔开度和干旱耐受性，并通过转基因拟南芥实验验证模型预测。
核心内容
针对气孔开度与干旱耐受性难以兼得的矛盾，该研究利用OnGuard定量模型进行反向设计，预测液泡Ca²⁺-ATPase（ACA11）过表达可同时改善两者。通过构建保卫细胞特异表达ACA11的转基因拟南芥（GC1::ACA11）并予以实验验证，发现正常光照下其气孔开度比野生型宽约30%，干旱胁迫下则表现出更高的存活率与更低的叶片失水速率。机制上，ACA11过表达促进Ca²⁺在液泡中储存，正常条件下降低胞质Ca²⁺以利于气孔张开，干旱条件下则增强ABA诱导的胞质Ca²⁺升高（平均峰值约1400 nM，显著高于野生型）以促进气孔关闭。qPCR证实转录本约为野生型的5倍，植株干重高出约45%。该工作展示了计算模型指导植物抗逆改良的潜力，为兼顾光合碳同化与水分保持的作物育种提供了新策略。
创新点
首次通过OnGuard模型指导反向工程，发现液泡Ca2+-ATPase过表达通过促进Ca2+在液泡中的积累，在正常条件下降低胞质Ca2+以促进气孔张开，在干旱条件下增强ABA诱导的Ca2+释放和信号传导，从而实现气孔开度与干旱耐受性的协同提升。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 气孔运动离子转运调控 | ACA11 | ACA11 (tonoplast Ca2+-ATPase) | 转运 | 过表达于保卫细胞，促进Ca2+向液泡内转运 |
| 拟南芥 | 气孔运动离子转运调控 | KAT1 | KAT1 (inward rectifying K+ channel) | 转运 | 钾离子内流通道，过表达ACA11时表达上调 |
| 拟南芥 | 气孔运动离子转运调控 | KAT2 | KAT2 (inward rectifying K+ channel) | 转运 | 钾离子内流通道，过表达ACA11时表达上调 |
| 拟南芥 | 气孔运动离子转运调控 | GORK | GORK (outward rectifying K+ channel) | 转运 | 钾离子外流通道，过表达ACA11时表达上调 |
| 拟南芥 | 气孔运动离子转运调控 | SLAC1 | SLAC1 (S-type anion channel) | 转运 | 阴离子通道，过表达ACA11时表达上调 |
| 拟南芥 | 气孔运动离子转运调控 | SLAH3 | SLAH3 (S-type anion channel homolog) | 转运 | 阴离子通道，过表达ACA11时表达上调 |
| 拟南芥 | 气孔运动离子转运调控 | AHA2 | Plasma membrane H+-ATPase | 转运 | 泵出H+，形成质子驱动力，受[Ca2+]i抑制 |
关键发现
- GC1::ACA11系在光照下气孔开度比野生型宽约30%，黑暗中宽约16%
- qPCR显示ACA11转录本水平约为野生型的5倍
- 干重比野生型高约45%
- ABA诱导的胞质Ca2+浓度平均值为1408±92 nM和1368±78 nM，显著高于野生型
- OnGuard模拟预测ox tACA植物对ABA的气孔关闭幅度比野生型大10%以上
- GC1::ACA11植物在干旱胁迫下表现出更高的存活率和更低的叶片失水速率。
研究结论
过表达液泡Ca2+-ATPase（ACA11）通过增加液泡Ca2+储存，在正常条件下降低胞质Ca2+以促进气孔张开的渗透调节，在干旱条件下增强ABA诱导的Ca2+升高，促进气孔关闭，从而同时提高气孔开度和干旱耐受性，为作物遗传改良提供新策略。