多年生能飼草在生物能源與牧草飼料生產(chǎn)、邊際土地利用與修復(fù)以及二氧化碳吸收與固定等方面具有重要的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益。其中，柳枝稷屬于禾本科黍?qū)俣嗄晟鶦4高大草本植物，一次種植可以生長(zhǎng)10-12年，生物量高，分布范圍廣，種質(zhì)資源豐富，抗逆性強(qiáng)。迄今為止，柳枝稷在京津冀地區(qū)、黑龍江、山東、寧夏回族自治區(qū)、新疆、內(nèi)蒙古、陜西、江蘇和四川等地均有種植，主要用于防風(fēng)固沙、土壤荒漠化治理、鹽堿地修復(fù)、牧草飼料與生物能源生產(chǎn)等。
青島能源所付春祥研究員帶領(lǐng)的能源作物分子育種研究組多年來(lái)深耕柳枝稷理想株型的分子設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)和創(chuàng)制了多個(gè)分蘗數(shù)多、開(kāi)花延遲、莖稈增粗的高產(chǎn)高品質(zhì)柳枝稷種質(zhì)新資源（Front Plant Sci. 2022, 13:834431；Hortic Res. 2021, 8:252；Biotechnol Biofuels. 2016, 9:101）。株型直接關(guān)系柳枝稷的生長(zhǎng)狀態(tài)與抗倒伏能力，是決定其產(chǎn)量的主要農(nóng)藝性狀。而能源草與牧草的產(chǎn)量主要由單位面積的分蘗數(shù)與每個(gè)分蘗的生物量決定的。其中，獨(dú)角金內(nèi)酯（Strigolactones，SLs）與miR156-SPL模塊是控制禾本科植物分蘗形成的關(guān)鍵因子。之前科學(xué)家們?cè)谥匾Z食作物水稻中成功建立了miR156-SPL模塊介導(dǎo)獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)傳導(dǎo)途徑調(diào)控植物分蘗的分子模型。近期該團(tuán)隊(duì)解析了miR156-SPL模塊對(duì)獨(dú)腳金內(nèi)酯合成途徑的影響，相關(guān)研究成果發(fā)表在New Phytologist《新植物學(xué)家》雜志。
科研人員發(fā)現(xiàn)在重要的能飼作物柳枝稷中，miR156靶基因SPL2編碼的蛋白不但能夠與獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)通路核心蛋白D53相互作用，還能夠通過(guò)激活植物側(cè)分枝氧化還原酶基因LBO的表達(dá)增強(qiáng)獨(dú)腳金內(nèi)酯合成，進(jìn)而引起D53的泛素化降解，在一定程度上解除D53對(duì)SPL2的抑制作用。而釋放的SPL2能夠發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的功能，促進(jìn)下游分蘗形成關(guān)鍵抑制因子（例如TB1）的表達(dá)（圖1）。該機(jī)制能夠從獨(dú)腳金內(nèi)酯合成層面幫助SPL克服由于D53過(guò)量積累導(dǎo)致的分蘗持續(xù)產(chǎn)生問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)營(yíng)養(yǎng)分蘗數(shù)目的精準(zhǔn)控制。該研究解析了miR156-SPL與獨(dú)腳金內(nèi)酯合成通路在柳枝稷分蘗調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了miR156-SPL2-LBO介導(dǎo)的分蘗調(diào)控新機(jī)制，進(jìn)而在獨(dú)腳金內(nèi)酯合成調(diào)控層面闡述了miR156-SPL模塊精準(zhǔn)控制分蘗形成的功能，為今后能源草和牧草理想株型的分子設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)。
青島能源所博士研究生楊瑞娟與項(xiàng)目副研究員劉文文為該論文的共同第一作者，付春祥研究員為通訊作者，中科院西北高原生物研究所王洪倫研究員與四川省草原科學(xué)研究院白史且研究員參與了該研究。另外，該工作是在山東省農(nóng)業(yè)良種工程項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)以及中科院青島能源所和大連化物所潔凈能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基金的共同資助下得以完成。
圖1 miR156-SPL模塊通過(guò)獨(dú)腳金內(nèi)酯合成途徑調(diào)控柳枝稷分蘗的模型
相關(guān)論文和專利：
Yang R, Liu W, Sun Y, Sun Z, Wu Z, Wang Y, Wang M, Wang H, Bai S, Fu C. LATERAL BRANCHING OXIDOREDUCTASE, one novel target gene of Squamosa Promoter Binding Protein-like 2, regulates tillering in switchgrass. New Phytol. 2022, doi: 10.1111/nph.18140.
2. Chunxiang FU, Yamei WANG, Wenwen LIU, Zhenying WU, Shiqie BAI, Chuan'en ZHOU, Ruijuan YANG, Shanshan JIANG and Mengqi WANG. PANICUM VIRGATUM SOSEKI PROTEIN SOK2, CODING GENE AND APPLICATIO N THEREOF, 美國(guó)專利, US17/168983.
