青岛能源所发现能源草与牧草株型分子调控的新模式

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多年生能饲草在生物能源与牧草饲料生产、边际土地利用与修复以及二氧化碳吸收与固定等方面具有重要的经济与生态效益。其中，柳枝稷属于禾本科黍属多年生C4高大草本植物，一次种植可以生长10-12年，生物量高，分布范围广，种质资源丰富，抗逆性强。迄今为止，柳枝稷在京津冀地区、黑龙江、山东、宁夏回族自治区、新疆、内蒙古、陕西、江苏和四川等地均有种植，主要用于防风固沙、土壤荒漠化治理、盐碱地修复、牧草饲料与生物能源生产等。
　　青岛能源所付春祥研究员带领的能源作物分子育种研究组多年来深耕柳枝稷理想株型的分子设计，设计和创制了多个分蘖数多、开花延迟、茎秆增粗的高产高品质柳枝稷种质新资源（Front Plant Sci. 2022, 13:834431；Hortic Res. 2021, 8:252；Biotechnol Biofuels. 2016, 9:101）。株型直接关系柳枝稷的生长状态与抗倒伏能力，是决定其产量的主要农艺性状。而能源草与牧草的产量主要由单位面积的分蘖数与每个分蘖的生物量决定的。其中，独角金内酯（Strigolactones，SLs）与miR156-SPL模块是控制禾本科植物分蘗形成的关键因子。之前科学家们在重要粮食作物水稻中成功建立了miR156-SPL模块介导独脚金内酯信号传导途径调控植物分蘖的分子模型。近期该团队解析了miR156-SPL模块对独脚金内酯合成途径的影响，相关研究成果发表在New Phytologist《新植物学家》杂志。
　　科研人员发现在重要的能饲作物柳枝稷中，miR156靶基因SPL2编码的蛋白不但能够与独脚金内酯信号通路核心蛋白D53相互作用，还能够通过激活植物侧分枝氧化还原酶基因LBO的表达增强独脚金内酯合成，进而引起D53的泛素化降解，在一定程度上解除D53对SPL2的抑制作用。而释放的SPL2能够发挥其转录因子调控的功能，促进下游分蘖形成关键抑制因子（例如TB1）的表达（图1）。该机制能够从独脚金内酯合成层面帮助SPL克服由于D53过量积累导致的分蘖持续产生问题，从而实现植物生长发育过程中对营养分蘖数目的精准控制。该研究解析了miR156-SPL与独脚金内酯合成通路在柳枝稷分蘖调控网络中的关系，发现了miR156-SPL2-LBO介导的分蘖调控新机制，进而在独脚金内酯合成调控层面阐述了miR156-SPL模块精准控制分蘖形成的功能，为今后能源草和牧草理想株型的分子设计提供了重要的理论基础。
　　青岛能源所博士研究生杨瑞娟与项目副研究员刘文文为该论文的共同第一作者，付春祥研究员为通讯作者，中科院西北高原生物研究所王洪伦研究员与四川省草原科学研究院白史且研究员参与了该研究。另外，该工作是在山东省农业良种工程项目、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项以及中科院青岛能源所和大连化物所洁净能源国家实验室基金的共同资助下得以完成。（文/图 刘文文）

　　

　　图1 miR156-SPL模块通过独脚金内酯合成途径调控柳枝稷分蘖的模型

　　相关论文和专利：
　　1. 原文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18140
　　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, 美国专利, US17/168983.


       文章来源：青岛能源所
       付春祥，博士，研究员，博士生导师，中科院“百人计划”。2007年获得中科院植物研究所博士学位，2007年至2011年在美国The Samuel Roberts Noble Foundation从事能源植物和牧草的遗传改良和分子设计方面的博士后研究。2012年至2013年出任美国The Samuel Roberts Noble Foundation植物转基因平台的第一任主管。先后发表SCI文章30多篇，具有多年的海外科研工作经历和丰富的平台管理经验。留学期间所从事的研究课题先后来自于美国农业部（USDA）、能源部（DOE）、能源部生物能源科学中心（BESC）、美国国家科学基金激励竞争性研究试验计划（NSF-EPSCoR）和美国牧草资源国际公司（Forage Genetics In.）的资助。成功攻克重要能源植物—柳枝稷（Switchgrass）的遗传转化瓶颈，并率先实现遗传改良能源植物提高生物燃料产量的科研计划。相关工作发表于美国科学院院刊（PNAS），发表后即被美国橡树岭国家实验室和其他相关网站大量报道，并获得多种著名学术期刊的广泛引用。另外，该研究工作在美国能源部（DOE）所资助的三大研究中心之一的生物能源科学中心（BESC）被作为主要研究成果进行展示。所产生的转基因植物，被BESC作为二期5年计划的重点开发项目。通过与田纳西大学、杜邦公司和Ceres公司的合作，获得的田间试验结果进一步展示该工作的商业化价值。回国后获得中科院“百人计划”项目和国家自然科学基金面上项目的资助。