東北地理所在植物抗逆與生長發(fā)育調(diào)控方面取得系列進(jìn)展
干旱和鹽堿作為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要非生物脅迫，嚴(yán)重抑制作物生長發(fā)育，導(dǎo)致糧食大量減產(chǎn)，直接威脅國家糧食安全。解鎖植物應(yīng)對干旱和鹽堿的內(nèi)在調(diào)控密碼，闡明干旱和鹽堿脅迫下的生理、生化及形態(tài)適應(yīng)規(guī)律，成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵課題。
近日，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李偉強研究員團隊在核仁小RNA（snoRNAs）介導(dǎo)植物干旱脅迫響應(yīng)領(lǐng)域取得系列重要進(jìn)展，為作物抗旱遺傳改良提供了全新思路與靶標(biāo)基因，相關(guān)研究成果已陸續(xù)發(fā)表。
前期研究中，團隊圍繞snoRNAs家族成員NONCODING RNA 1（NCR1），深入闡明其負(fù)向調(diào)控擬南芥抗旱性的分子機制（Li et al., 2025）。在此基礎(chǔ)上，團隊綜合運用遺傳學(xué)、生理學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)等多維度交叉技術(shù)，進(jìn)一步探究snoRNAs家族另一成員HIDDEN TREASURE 2（HID2），在干旱脅迫中的功能（圖1；Li et al., 2026）。表型分析顯示，干旱處理后，HID2功能缺失突變體（hid2）的耐旱能力顯著優(yōu)于野生型擬南芥；而HID2過表達(dá)株系（OE6、OE15）的耐旱性則明顯減弱。這一系列數(shù)據(jù)明確證實，HID2同樣以負(fù)調(diào)控方式參與擬南芥的干旱耐受性調(diào)控（圖1）。
圖1. HID2負(fù)向調(diào)控擬南芥耐旱性的生理表型
聯(lián)合轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組分析表明，水分虧缺條件下，HID2可對類黃酮代謝、角質(zhì)層合成、葉片衰老、脫落酸合成與響應(yīng)及氧化脅迫等多個生理過程發(fā)揮負(fù)向調(diào)控作用。后續(xù)生理生化及形態(tài)學(xué)驗證進(jìn)一步表明，HID2通過調(diào)控細(xì)胞膜完整性、蠟質(zhì)與花青素次生代謝、葉片衰老速率、脫落酸信號響應(yīng)、根系發(fā)育狀態(tài)及活性氧清除能力，全方位影響擬南芥的抗旱適應(yīng)性（圖2）。
圖2. HID2負(fù)向調(diào)控擬南芥耐旱性的分子機制
該成果發(fā)表于植物學(xué)經(jīng)典國際期刊The Plant Journal（中國科學(xué)院一區(qū)TOP，IF=5.7）。東北地理所特別研究助理李亮亮為第一作者；東北地理所李偉強研究員、尹小建研究員及德克薩斯理工大學(xué)Lam-Son Phan Tran教授為共同通訊作者。山東師范大學(xué)楊賢鵬博士、湖北大學(xué)呂世友教授和黃浩東博士、中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所曹曉風(fēng)院士團隊、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院錢偉強教授和朱丹萌教授等對本研究開展提供了幫助與指導(dǎo)。
此外，本團隊也對獨腳金內(nèi)酯（SL）和煙素（KAR）信號通路途徑有興趣。最近以SL受體D14和KAR受體KAI2的單突變體、雙突變體及野生型擬南芥為材料，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組與激素組聯(lián)合分析技術(shù)，精準(zhǔn)定位了兩條信號通路的功能差異。研究發(fā)現(xiàn)，KAR信號在調(diào)控脫落酸與細(xì)胞分裂素的平衡中扮演更核心的角色，而SL信號則重點參與茉莉酸與赤霉素的平衡調(diào)控，二者共同維系植物激素網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定（圖3; Li et al., 2025）。
圖3. 擬南芥D14與KAI2調(diào)控激素含量及代謝基因表達(dá)的模型
在此基礎(chǔ)上，團隊構(gòu)建了KAI2、SMAX1/SMXL2等單突變體、雙突變體與三突變體材料，系統(tǒng)解析KAR信號對器官大小的調(diào)控機制。結(jié)果顯示，細(xì)胞大小是決定蓮座葉、花瓣、角果及種子大小的核心因素。轉(zhuǎn)錄組與激素組聯(lián)合分析表明，KAR信號通過調(diào)控生長素、油菜素內(nèi)酯、茉莉酸、脫落酸等多種激素通路及器官大小正負(fù)調(diào)控基因網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對植物器官發(fā)育的精細(xì)調(diào)控（圖4）。綜合結(jié)果證實，KAR介導(dǎo)的KAI2-MAX2-SMAX1/SMXL2信號級聯(lián)負(fù)向調(diào)控植物器官大小（Li et al., 2025）。
圖4. 擬南芥KAR信號通路調(diào)控蓮座葉大小的機制模型
團隊還系統(tǒng)揭示了DLK2基因的重要生物學(xué)功能。DLK2是KAR信號通路關(guān)鍵標(biāo)志基因。研究發(fā)現(xiàn)，dlk2突變體下胚軸伸長受抑、子葉角度改變，根毛發(fā)育與蓮座葉下彎顯著增強；而DLK2過表達(dá)可誘導(dǎo)種子休眠，抑制幼苗生長、開花與分枝，并改變莖粗、花瓣及種子大小。該研究證實，DLK2與同源基因KAI2、D14既有功能保守性，又存在功能分化，為植物發(fā)育調(diào)控與抗逆分子育種提供了新的基因資源與理論基礎(chǔ)（圖5; Nie et al., 2026）。
圖5. 擬南芥DLK2參與植物發(fā)育和抗逆響應(yīng)的調(diào)控模型
以上三項植物激素相關(guān)的成果分別發(fā)表于植物學(xué)經(jīng)典國際期刊Plant Cell Reports（中國科學(xué)院二區(qū)，IF=4.5）和Physiologia Plantarum（中國科學(xué)院二區(qū)，IF=3.6）。東北地理所特別研究助理李亮亮為三篇文章第一/共同第一作者，2024級博士研究生朱晨博、2023級碩士研究生聶小繁為共同第一作者；東北地理所李偉強研究員、尹小建研究員及德克薩斯理工大學(xué)Lam-Son Phan Tran教授為共同通訊作者。
上述研究得到國家重點研發(fā)計劃（2022YFD1500505）、國家自然科學(xué)基金（32370321）及中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA28110100）的聯(lián)合資助。
論文信息：
1. Li, L.#, Yang, X.#, Huang, H., Zhu, C., Xing, M., Yang, K., Nie, X., Fu, J., Wang, M., Liang, Z., Lü, S., Qian, W., Tran, L. P.*, Yin, X.*, and Li, W.* (2025). The small nucleolar RNA NON-CODING RNA 1 negatively regulates drought tolerance in Arabidopsis thaliana. The Plant Journal. 123(4), e70428. https://doi.org/10.1111/tpj.70428
2. Li, L.#, Yang, X., Huang, H., Zhu, C., Xing, M., Yang, K., Nie, X., Fu, J., Wang, M., Liang, Z., Feng, X., Zhao, J., Li, X., Lü, S., Shi, Y., Tran, L. P.*, Yin, X.*, and Li, W.* (2026). Small nucleolar RNA HIDDEN TREASURE 2 reduces drought tolerance via multiple pathways in Arabidopsis. The Plant Journal. 125(3), e70718. https://doi.org/10.1111/tpj.70718
3. Li, L.#, Gupta, A.#, Zhu, C.#, Xu, K., Watanabe, Y., Tanaka, M., Seki, M., Mochida, K., Kanno, Y., Seo, M., Nguyen, K. H., Tran, C. D., Chu, H. D., Yin, H., Jia, K. P., Tran, L. P.*, Yin, X.*, and Li, W.* (2025). Strigolactone and karrikin receptors regulate phytohormone biosynthetic and catabolic processes. Plant Cell Reports. 44(3), 60. https://link.springer.com/article/10.1007/s00299-025-03456-3
4. Li, L.#, Xu, K., Zhu, C., Yang, K., Nie, X., Fu, J., Mochida, K., Watanabe, Y., Nguyen, K. H., Feng, X., Tian, C., Yin, X., Tran, L. P.*, and Li, W.* (2025). The KAI2-SMAX1/SMXL2 module regulates organ size through interaction with other hormone pathways in Arabidopsis thaliana. Physiologia Plantarum. 177(6), e70646. https://doi.org/10.1111/ppl.70646
5. Nie, X.#, Li, L.#, Zhu, C., Yang, K., Li, Q., Fu, J., Xing, M., Wang, M., Nelson, D. C., Feng, X., Zhao, J., Liang, Z., Tian, C., Tran, L. P.*, Yin, X.*, and Li, W.* (2026). Overexpression of DWARF14-LIKE2 in Arabidopsis thaliana alters multiple traits related to plant morphology and osmotic and salt stress tolerance. Plant Cell Reports. 45(3), 60. https://doi.org/10.1007/s00299-026-03742-8
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