Overexpression of the trehalose-6-phosphate phosphatase gene OsTPP1 confers stress tolerance in rice and results in the activation of stress responsive genes
- 作者
- Liang-Fa Ge, Dai-Yin Chao, Min Shi, Mei-Zhen Zhu, Ji-Ping Gao, Hong-Xuan Lin
- 单位
- 中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室；中国科学院研究生院
- 杂志
- Planta（2008）
- DOI
- 10.1007/s00425-008-0729-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
水稻内源海藻糖-6-磷酸磷酸酶基因 OsTPP1 在非生物胁迫耐受中的功能及其调控机制尚不清楚。
研究策略
通过生物信息学鉴定水稻 TPS/TPP 基因家族，分析 OsTPP1 在盐、渗透、冷和 ABA 下的表达模式；构建 CaMV 35S 启动子驱动的 OsTPP1 过表达水稻，比较其与空载体对照在盐/冷胁迫下的表型、海藻糖含量及胁迫响应基因表达。
核心内容
该研究通过生物信息学手段鉴定了水稻海藻糖合成相关的TPS/TPP基因家族，发现OsTPP1在盐、渗透、冷和ABA处理下均被诱导表达，其中冷胁迫下转录水平最高可上升20倍。研究者构建了由CaMV 35S启动子驱动的OsTPP1过表达水稻，并将其与空载体对照在盐胁迫和冷胁迫下进行比较。结果显示，过表达系在125 mM NaCl胁迫11天后存活率更高，在6-8°C冷胁迫18天后恢复生长更好，且盐胁迫下种子萌发率显著高于对照。然而，过表达系与对照的海藻糖含量并无显著差异，胁迫前约70 μg/g鲜重，盐胁迫4天后约115 μg/g鲜重。进一步的基因表达分析表明，多个胁迫响应基因如Lip5、Lip9、OsAsr1、DREB1B、OsMPK3、OsMPK4和OsTPS1在过表达系中组成性上调。这些结果说明OsTPP1增强水稻耐盐耐冷性并非依赖海藻糖的积累，而是通过激活胁迫响应基因实现，提示海藻糖-6-磷酸或海藻糖可能作为信号分子参与胁迫调控，为作物抗逆遗传改良提供了新靶点。
创新点
发现 OsTPP1 过表达增强水稻耐盐和耐冷性并非依赖海藻糖积累，而是通过组成性激活多个胁迫响应基因（如 Lip5、Lip9、OsAsr1、DREB1B、OsMPK3、OsMPK4 和 OsTPS1），提示 T-6-P 或海藻糖可能作为信号分子参与胁迫调控。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Nipponbare） | 海藻糖生物合成 | OsTPP1 | 海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPP） | 催化 | 过表达增强水稻耐盐和耐冷性，并激活胁迫响应基因 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. indica cv. Nona Bokra） | 海藻糖生物合成 | OsTPP1 | 海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPP） | 催化 | 受盐、渗透、冷和ABA诱导，冷胁迫下转录水平最高上升20倍 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Nipponbare） | 海藻糖生物合成 | OsTPS1 | 海藻糖-6-磷酸合酶（TPS） | 催化 | 在OsTPP1过表达系中上调表达，可能受T-6-P反馈调控 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Nipponbare） | MAPK信号通路 | OsMPK3, OsMPK4 | 丝裂原活化蛋白激酶 | 调控 | 在OsTPP1过表达系中组成性激活 |
| 水稻（Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Nipponbare） | 胁迫响应基因表达 | DREB1B | DREB1B转录因子 | 调控 | 在OsTPP1过表达系中上调表达 |
关键发现
- 水稻基因组含有14个 TPS 位点和13个 TPP 位点
- OsTPP1 受盐（150 mM NaCl）、渗透（20% PEG4000）、冷（6-8°C）和 ABA（10 μM）诱导，其中冷胁迫下转录水平最高可上升20倍
- OsTPP1 过表达系在125 mM NaCl 胁迫11天后存活率更高，6-8°C 冷胁迫18天后恢复生长更好，盐胁迫下种子萌发率显著高于空载体对照
- 但过表达系与对照的海藻糖含量无显著差异（胁迫前约70 μg gFW^-1，盐胁迫4天后约115 μg gFW^-1）
- 多个胁迫响应基因（Lip5、Lip9、OsAsr1、DREB1B、OsMPK3、OsMPK4、OsTPS1）在过表达系中组成性上调。
研究结论
OsTPP1 作为海藻糖-6-磷酸磷酸酶，通过激活胁迫响应基因而非依赖海藻糖积累来增强水稻对盐和冷胁迫的耐受性，为作物抗逆遗传改良提供了新靶点。