华中农业大学团队在赤霉素调控水稻耐热研究方面取得新进展

摘要：近日，Food and Energy Security在线发表了华中农业大学植物科学技术学院尹昌喜课题组题为“HeatStress-InducedReduction inBioactive GAContentDecreasesRiceThermotoleran

近日，Food and Energy Security在线发表了华中农业大学植物科学技术学院尹昌喜课题组题为“Heat Stress-Induced Reduction in Bioactive GA Content Decreases Rice Thermotolerance by Causing Membrane Damage Through Accumulated ROS”的研究成果。该研究揭示了赤霉素（GA）介导活性氧（ROS）稳态在水稻响应高温过程中的调控作用，为通过调控GA-ROS稳态来培育耐热水稻品种和研发水稻耐热调控技术提供了新策略。

研究背景

由于全球气温变暖导致的高温频发现象给农业生产带来了严重危害。作为主要的粮食作物，水稻（Oryza sativa L.）对高温较为敏感，高温会直接影响其产量和品质，进而危及粮食安全。在气候变暖日益加剧的背景下，解析水稻响应高温的生理与分子机制，对于保障粮食安全具有迫切现实意义。目前，通过遗传改良途径培育耐高温水稻品种，已成为农业研究与应用的重点方向。

研究内容

水稻是全球主要的粮食作物，其生产易受高温胁迫影响，这对保障全球粮食安全构成了严重威胁。GA被公认为水稻生长发育的关键调节因子，但GA稳态响应高温的机制及其在水稻耐热性中的作用尚未完全阐明。本研究表明，高温通过抑制GA生物合成和促进其降解过程破坏GA稳态，导致活性GA含量降低并削弱水稻耐热性。与野生型（WT）相比，GA合成受阻突变体d18的耐热性显著降低。与对照相比，外源施加GA3可显著提高水稻耐热性；相反，使用GA生物合成抑制剂多效唑（PBZ）会降低WT的耐热性。进一步研究表明高温诱导的活性GA含量降低通过促进ROS的产生和抑制ROS清除，引发ROS过度积累。与WT相比，d18突变体在高温下积累更多ROS并表现更严重的膜损伤。GA3或ROS清除剂谷胱甘肽均可缓解ROS的积累和膜损伤，增强d18的耐热性；而PBZ则加剧ROS积累和膜损伤，进一步削弱WT的耐热性。重要的是，外源施加GA3或通过基因手段增强GA信号（例如敲除编码GA信号负调控因子DELLA蛋白的SLR1基因），可减少高温下水稻的产量损失。这些发现证明GA介导的ROS稳态对调控水稻耐热性至关重要，为通过调控GA-ROS稳态来培育耐热水稻品种和研发水稻耐热调控技术提供了新策略。

图文解析

1. GA正调控水稻耐热性

与WT相比，GA合成受阻突变体d18对高温表现出超敏反应。在高温下，外源施用GA3能显著提升d18的存活率，而外源施用GA生物合成抑制剂PBZ则降低WT的存活率（Fig. 1）。这些结果表明，GA是水稻响应高温的关键因子，且GA含量与水稻的耐热性呈正相关。

Fig. 1. GA positively regulates rice thermotolerance.

2. 高温通过降低GA含量降低水稻耐热性

本研究探究了GA含量与水稻耐热性之间的关系。高温导致活性GA含量下降，并降低了WT和d18的存活率，其中d18的下降更为显著。外源PBZ处理会降低WT中活性GA含量，同时伴随存活率下降；而外源GA3处理则能够提高d18中活性GA含量并提升其存活率（Fig. 1，Fig. 2）。活性GA的含量与水稻耐热性密切相关，高温通过降低活性GA含量从而减弱水稻的耐热性。

Fig. 2. Heat-induced reduction of GA content leads to decreased rice thermotolerance.

3. 高温通过抑制GA的生物合成和促进GA的降解降低活性GA含量

与常温处理组相比，高温显著降低了GA生物合成基因的表达水平（Fig. 3a)。同时，高温使GA降解基因的表达量上调（Fig. 3b)。综合来看，高温通过下调GA生物合成基因表达和上调其降解基因表达，分别抑制活性GA的生物合成和促进GA的降解，从而降低水稻体内活性GA的含量。

Fig. 3. Effects of heat stress on the expression of GA biosynthesis and inactivation genes.

4. 高温降低活性GA含量进而通过诱导ROS积累降低水稻耐热性

高温胁迫会诱导水稻体内ROS（包括H222）的积累。与WT相比，高温诱导d18中ROS积累显著增加，表明ROS的过度积累与d18耐热性较低密切相关（Fig. S1）。低浓度的谷胱甘肽（GSH）可通过缓解高温下ROS的过量积累显著增强水稻的耐热性。然而，过量施用GSH会过度降低ROS含量，反而因ROS不足导致水稻耐热性下降（Fig. S1）。因此，水稻在响应高温过程中需要维持一定水平的ROS，过高或过低的ROS均会降低其耐热性。

高温下，活性GA含量的减少诱发了ROS的过度积累，进而降低了水稻耐热性（Fig. 2，Fig. 4a–f）。PBZ处理的WT中活性GA含量下降的同时伴随着ROS积累增加和存活率降低（Fig. 2，Fig. 4a–f）。相反，施用GA3提高了高温下d18植株的活性GA总量，减少ROS积累，并提高了水稻存活率（Fig. 2，Fig. 4a–f）。以上证据表明，高温通过降低水稻体内活性GA含量，诱导ROS过度积累，从而削弱水稻的耐热性。

在高温下，与WT相比，d18中较高的ROS含量导致丙二醛（MDA）含量升高和电解质泄漏加剧（Fig. 4g–h）。同样，在PBZ处理的WT中，活性GA含量下降促进了ROS的产生，进而使得MDA含量和电解质泄漏率均显著上升（Fig. 2，Fig. 4g–h）。而对高温下的d18施用GA3或GSH后，ROS积累受到抑制，MDA含量与电解质泄漏率也相应降低（Fig. 4f–h）。这些结果说明，高温引起的活性GA含量降低促进了ROS积累，引发脂质过氧化并增加膜透性，最终导致水稻耐热性降低。

Fig. 4. Heat-reduced content of bioactive GA induces ROS accumulation and decreases rice thermotolerance.

5. 高温降低的活性GA含量通过增加ROS生物合成和减少ROS清除促进水稻积累ROS

本研究进一步探究了高温导致的活性GA含量下降诱导水稻体内ROS积累的调控机制。结果发现，高温诱导的水稻活性GA减少可通过上调ROS生物合成基因的表达、下调ROS清除基因的表达以及降低ROS清除酶的活性，从促进ROS生成和抑制ROS清除两方面共同导致ROS积累（Fig. 2，Fig. 4d-f，Fig. 5）。

FIGURE 5. Effects of heat stress on the expression patterns of ROS biosynthesis genes and ROS scavenging genes, as well as antioxidant enzyme activities in rice.

6. 增加GA含量和增强GA信号降低高温下水稻产量损失

为探究GA对高温胁迫下水稻田间产量的影响，本研究对正常田间条件与高温处理条件下的水稻产量相关性状进行了分析。结果表明，在高温下，提高GA含量可显著减轻水稻产量损失，而降低GA含量则会加剧产量损失（Fig. 2，Fig. 6）。此外，在高温下，增强GA信号同样能够降低水稻产量损失（Fig. S2，Fig. S3）。

Fig. 6. GA positively regulates rice yield under heat stress.

7. 结论

本研究证实了GA在调控水稻耐热性中的关键作用。高温通过抑制GA生物合成并促进其降解，降低了活性GA含量；降低的GA含量通过促进ROS的产生和抑制ROS的清除导致ROS的积累（Fig. 7）。ROS的积累会引发脂质过氧化并增加高温下水稻细胞的膜透性从而降低水稻耐热性（Fig. 7）。本研究结果表明，GA是水稻适应高温胁迫所必需的；活性GA含量的减少会导致ROS积累、膜损伤，进而降低水稻的耐热性。这些发现将为提升水稻耐热性提供新策略，包括通过增强GA信号传导（例如敲除SLR1基因）选育耐热品种，或施用GA3及ROS清除剂等植物生长调节剂以提高水稻耐热性，最终降低高温下水稻的产量损失。