责编 | 王一
糖是能量和细胞碳骨架的供体，也是调控生长发育的重要信号分子。在高血糖情况下，脊椎动物主要通过分泌胰岛素，刺激血糖消耗和糖原合成来维持血糖稳态 （适度的血糖浓度） ，保证生理功能的正常运行。近年来，植物中的6-磷酸-海藻糖 （6-phosphate-trehalose, Tre6P） 被发现具有类似胰岛素的功能。植物中的Tre6P水平与糖水平高度正相关，被称作糖水平的指示表 （Sugar fuel gauge） ；同时，Tre6P还可通过促进源-库转运等形式反馈调节糖水平 （J Exp Bot, 2017, 68:4455-4462） 。作为维持糖稳态的核心激素，Tre6P广泛参与了调控植物的生长发育与逆境响应等生理过程 （Mol Plant, 2013, 2:261-274） 。尤为重要的是，Tre6P具有极大的改良作物产量的潜力。在玉米中异源表达水稻6-磷酸-海藻糖磷酸酶基因OsTPP1可直接提升9-49%的产量 （Nature Biotech, 2015, 33:862-869） 。直接喷施可吸收的Tre6P前体亦可使小麦增产20% （Nature, 2016, 540:574-578） 。然而，Tre6P水平如何响应高度动态的糖水平以维持糖稳态（Outstanding question, Plant Physiol, 2016, 172:7-27） ，Tre6P如何与其它能量调控因子互作协调碳源的源-库分配，以及如何利用Tre6P相关基因改良作物的产量等核心科学问题仍有待阐明。
2022年1月28日，中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室张健研究员团队与胡培松院士团队合作在Molecular Plant在线发表了题为“The OsNAC23-Tre6P-SnRK1a feed-forward loop regulates sugar homeostasis and grain yield in rice”的研究论文，首次揭示了“植物胰岛素”6-磷酸-海藻糖调控水稻碳源分配与籽粒产量的机制，同时也为作物高产遗传改良提供了新思路。
该研究在水稻中鉴定了一个调控Tre6P积累的糖诱导表达转录因子OsNAC23。OsNAC23可直接结合在6-磷酸-海藻糖磷酸酶基因OsTPP1的启动子区域，抑制OsTPP1的转录，促进Tre6P的累积。与野生型相比，OsNAC23超表达植株的源器官中Tre6P含量上升，促进光合速率、碳源的源-库转运以及穗、种子等库器官发育，大幅提升植株单株产量；而osnac23突变体则呈现完全相反的表型。因此， Tre6P依赖于OsNAC23-OsTPP1调控通路感知上游糖信号。
前人研究表明，Tre6P可直接结合植物能量饥饿感受器SnRK1并抑制其酶活 （Plant Cell, 2018, 30:2616-2627） 。该研究进一步显示，水稻激酶SnRK1a与OsNAC23相互拮抗。SnRK1a磷酸化OsNAC23并促进其蛋白降解，而OsNAC23则间接抑制SnRK1a的转录。 OsNAC23-Tre6P-SnRK1a三者形成一条正向调节回路来维持水稻碳源分配和籽粒产量。 高糖水平下，OsNAC23被大量诱导表达，引发Tre6P积累和SnRK1a活性抑制，解除SnRK1a介导的OsNAC23蛋白降解，进一步放大OsNAC23信号和提升Tre6P水平。积累的Tre6P则会通过促进糖分向库器官转运，维持糖稳态。与之相反，低糖水平抑制OsNAC23和Tre6P水平，激活SnRK1a的表达和活性。SnRK1a进一步加速OsNAC23和Tre6P的降解，减少源器官中糖分的向外转运与消耗（图1）。
图1 OsNAC23-Tre6P-SnRK1a信号通路调控水稻产量的机制
该研究团队在日本晴、主栽品种南粳46和育种材料中水01三个背景中过量表达OsNAC23基因，显著地提高了植株Tre6P含量（图2）。多年多地的田间产量区试结果表明，相较于野生型， 转基因植株在生长后期表现出典型的青杆黄熟的高产性状，有效穗数和千粒重显著增加，产量提升8.7-16.1%，为利用“植物胰岛素”Tre6P相关基因改良作物的产量提供了优异的基因资源和应用示范。
图2 过表达OsNAC23基因显著提高水稻产量
中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室张健研究员和胡培松院士为该论文的共同通讯作者，李志永博士和魏祥进研究员为该论文的共同第一作者，华中农业大学胡红红教授参与了部分工作。该工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国水稻研究所重点研发项目和中国农科院科技创新工程等项目的资助。
专家点评
钱前研究员（中国科学院院士）
民以食为先，食以稻为首，提高产量是水稻科技工作者的永恒追求。育种实践表明：源、库、流的协同优化是提升作物产量的关键。农作物叶片通过光合作用将光能转化为化学能，并以糖的形式转运到库器官，形成作物的产量。近年来，6-磷酸-海藻糖（Tre6P）被发现具有类似“胰岛素”的功能，是协调植物碳源的源-库分配的关键信号分子。利用基因工程手段改变Tre6P含量或喷施Tre6P前体可显著提升玉米、小麦等多种作物的产量。目前，虽然植物中的 Tre6P合成通路已基本明确，但Tre6P如何感知糖信号，促进碳源的源-库转运和库器官发育的分子机制仍不明晰。
近日，中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室张健研究员团队和胡培松院士团队在Molecular Plant杂志合作发表的关于“OsNAC23-Tre6P-SnRK1a正向调控回路调控水稻糖稳态和产量”的文章很好地解答了上述科学问题，是植物糖信号传导和作物高产遗传改良领域的又一重大成果。他们发现糖诱导转录因子OsNAC23通过抑制Tre6P代谢基因TPP1的转录来保持源器官中Tre6P的高积累水平，促进碳源的源-库转运和叶片中的光合作用。OsNAC23-Tre6P-SnRK1a正向回路快速放大糖信号，维持植株糖稳态。令人欣喜的是，通过在多个水稻品种中过量表达OsNAC23基因提高了Tre6P含量，且在大田环境下显著提升了水稻产量。该研究加深了植物感知糖信号和能量水平，碳源在源-库中协调分配机制的认知，也为禾本科作物的高产分子育种提供了重要借鉴，具有重大的理论意义和应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.01.016
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