分子植物卓越中心阐明干旱信号调控碳转运和根系生长的分子机制

　　干旱造成作物生产的损失，危害粮食安全。植物因其固着生长的特性而难以躲避所受到的胁迫，被迫进化出适应逆境的机制。植物通过关闭气孔、减缓生长、衰老和休眠等“节流策略”，减少干旱下水分和养分的消耗；植物还利用强大的根系、向水性以及C4和CAM光合途径等“开源策略”，从土壤中获取水分和养分，维持干旱下的生长。解析开源策略调控机制，是作物抗逆节水遗传改良的理论基础。

　　“根冠比调控”是植物干旱领域的核心科学问题，而未在分子机制方面得到合理解释。为何干旱抑制植物地上部分的生长而促进植物根系的生长？12月23日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心赵杨研究组在Nature Plants上，发表了题为Phosphorylation of SWEET sucrose transporters regulates plant root:shoot ratio under drought的研究论文，从分子层面阐释了干旱胁迫下植物根冠比的调控机制。

　　对ABA受体十二重突变体和ABA信号核心蛋白激酶SnRK2三重突变体的表型分析发现，干旱下植物根冠比的调控依赖于ABA信号。植物根系的生长依赖于地上部分光合产物的转运，韧皮部蔗糖转运蛋白SWEET11和SWEET12在蔗糖长距离运输中起到核心作用，参与调控干旱下植物根冠比。干旱诱导ABA积累，激活ABA信号。研究显示，SnRK2可以磷酸化修饰SWEET11和SWEET12蛋白第237和248位丝氨酸。该修饰被渗透和干旱胁迫诱导，并依赖于ABA核心信号通路。磷酸化发生在SWEET蛋白C末端，位于细胞质内，是潜在的调控区。研究表明，磷酸化修饰增强了SWEET蛋白寡聚化，加强了它们的蔗糖转运活性，促进了蔗糖从地上部分向根系的长距离运输，进而推进干旱下根系的生长，提高植物根冠比和抗旱性。

　　蔗糖是植物光合产物远距离运输的主要形式，其长距离转运依赖于韧皮部这一“高速路”。因此，韧皮部蔗糖转运蛋白的活性决定碳转运和碳分配能力，从而影响植物生长发育，决定作物产量和品质。在拟南芥中，韧皮部装载过程由SWEET11/12介导的外排和SUC2介导的吸收的质外体途径控制。SWEET蛋白转运活性较低，或是韧皮部装载过程中的“限速点”。研究表明，模拟磷酸化SWEET的转基因植物在提高根系生长的同时，未造成地上部分的生长抑制，而增强了地上部分的生长。因此，光合产物长距离转运的增强，具有改良作物产量和品质的潜在意义。

　　综上，该研究阐明了干旱信号促进碳转运的分子机制，揭示了碳转运对碳分配和根系生长的影响，解析了干旱下植物根冠比的调控机制，并提出了同时提高植物抗性和产量的研究方向。

　　研究工作得到中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金和中科院上海植物逆境生物学研究中心的支持，并获得美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校科研人员的协助。Nature Plants同期在线发表了题为Drought meets SWEET的评论文章，对该成果进行评价与展望。