小麦黄酮醇合成酶TaFLS1通过调控气孔运动提高抗旱性的机制研究

Flavonols strongly accumulate in guard cells, suggesting their participation in stomatal movement, but the suggestion has not been confirmed so far. In our previous work, both the flavonol content in guard cells and the transcription of flavonol synthase TaFLS1 were significantly increased in SR3, a wheat introgression cultivar SR3 with high drought tolerance, and its parent common wheat JN177, with a stronger increase in SR3. TaFLS1 overexpression in both wheat and Arabidopsis significantly improved the flavonol content in guard cells. Flavonol accumulation promoted stomatal closure by elevating H2O2 level in guard cells to enhance drought tolerance. The contribution of flavonols in stomatal closure was achieved through JA pathway. In this project, on the basis of previous work, we propose to analyze the drought responsive patterns of TaFLS1 transcription and flavonol synthesis, to isolate regulatory components mediating flavonols-modulated stomatal closure, to measure the association between TaFLS1 and drought tolerance QTLs of SR3 via localizing QTLs of SR3’s drought tolerance. This work would provide evidence for uncovering the novel mechanism governing stomatal movement and the basis of SR3’s drought tolerance, and provide excellent candidate gene for crop molecular breeding.

黄酮醇是一类主要的类黄酮化合物，在保卫细胞中含量较高，暗示其可能参与调控气孔运动，但至今未见相关报道。前期工作中，我们发现干旱胁迫下小麦保卫细胞中黄酮醇含量及黄酮醇合成酶基因TaFLS1转录水平明显提高，而且在小麦渐渗系抗旱新品种山融3号中的提高幅度较其亲本普通小麦更显著；TaFLS1过表达显著提高小麦和拟南芥保卫细胞中黄酮醇含量，干旱条件下通过提高H2O2水平来促进气孔关闭、增强抗旱性；黄酮醇通过JA信号通路调控气孔关闭。本项目拟在前期工作基础上，系统分析干旱等胁迫下TaFLS1响应及黄酮醇合成特征，分离和鉴定黄酮醇促进气孔关闭的关键因子，通过对SR3抗旱性的QTL定位，分析TaFLS1与SR3抗旱QTL的相关性，以期为阐明气孔运动调控新机制及SR3抗旱基础提供线索，为抗旱小麦等作物新品种培育提供优质基因源。

土壤可利用水分是制约作物产量的首要因素之一，因而提高作物的水分利用效率是农业可持续性的重要策略。气孔是控制水分外流和CO2内流的通道，提高水分利用效率时会降低碳同化效率，因此不影响碳同化效率是提高水分利用效率和抗旱节水能力的首要问题。黄酮醇是一类主要的类黄酮化合物，在保卫细胞中含量较高，但是其在气孔运动和抗旱节水中的作用还不甚清楚。.本研究以小麦渐渗系耐盐抗旱品种山融3号为材料，结合其遗传群体及自然群体的关联分析，发现黄酮醇含量及催化其合成的黄酮醇合成酶TaFLS1表达水平与小麦抗旱节水能力密切相关。黄酮醇通过促进气孔关闭增强小麦抗旱能力和水分利用效率，该功能通过主要通过黄酮醇中的槲皮素实现的，表明不同黄酮醇功能的特异性，首次明确了黄酮醇在气孔运动和植物抗旱中的功能及作用机制。我们发现槲皮素特异性结合SnRK家族蛋白TaOST1，并通过调控气孔运动信号通路的TaOST1-TaABI1-TaSLAC1分子模块，增强ABA介导的阴离子外流活性，促进气孔关闭，首次证实了植物中槲皮素等类黄酮物质作为信号分子发挥调控作用。发现黄酮醇同时也能通过调控保卫细胞中H2O2水平调节气孔运动，而且茉莉酸在黄酮醇调控气孔运动过程中发挥重要作用。以拟南芥为材料发现，黄酮醇在气孔运动和抗旱中的功能及其作用机制在植物中具有保守性。多年多点田间节水试验显示，TaFLS1转基因小麦的产量明显提高；黄酮醇喷施处理可以显著提高不同节水条件下田间小麦的水分利用效率和产量。TaFLS1过表达和黄酮醇喷施同时显著提高小麦的碳同化效率，避免了水分利用效率与碳同化效率和产量间此消彼长问题，显示了TaFLS1和黄酮醇在分子育种和化学农业中的应用潜力。