PNAS｜西北農(nóng)林科技大學(xué)鄭遠(yuǎn)課題組揭示植物激素ABA在種子營養(yǎng)代謝中的新功能

植物種子不僅是植物繁衍的關(guān)鍵器官，更是人類膳食營養(yǎng)的重要來源。全球約70%的鐵攝入來自植物性食物，尤其是谷物和豆類種子。然而，超過20億人仍因鐵攝入不足面臨缺鐵性貧血風(fēng)險(xiǎn)，隱性饑餓問題依然嚴(yán)峻。與此同時(shí)，鐵過量也會(huì)對(duì)植物和人類造成氧化毒害。因此，精準(zhǔn)調(diào)控種子中的鐵含量，實(shí)現(xiàn)“足夠但不過量”，是植物學(xué)和營養(yǎng)科學(xué)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。植物激素脫落酸（ABA）作為種子發(fā)育的核心調(diào)控因子，長期被認(rèn)為是“休眠建立”和“萌發(fā)抑制”的關(guān)鍵分子。但其在種子營養(yǎng)積累中的作用，尤其是如何調(diào)控鐵元素的吸收與儲(chǔ)存，一直缺乏系統(tǒng)研究。

近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)未來農(nóng)業(yè)研究院鄭遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)在國際期刊PNAS上發(fā)表了題為Abscisic acid regulates iron accumulation in plant seeds via the PYLs-bHLH IVc-YSLs module的研究論文，首次揭示了ABA在種子鐵積累中的“分子剎車”功能。研究顯示，ABA通過一套新發(fā)現(xiàn)的信號(hào)模塊，在種子成熟過程中抑制鐵元素過量積累；而當(dāng)植物感知缺鐵信號(hào)時(shí)，該抑制被解除，從而增強(qiáng)種子鐵儲(chǔ)備。這一機(jī)制在模式植物擬南芥中得到驗(yàn)證，為理解種子鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)控提供了全新視角，也為培育“高鐵低毒”營養(yǎng)強(qiáng)化作物奠定了理論基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)以擬南芥為模型，系統(tǒng)分析了種子發(fā)育過程中ABA含量與鐵積累的時(shí)間動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)種子成熟過程中ABA的含量與鐵含量呈負(fù)相關(guān)。外源施加ABA顯著抑制種子中鐵含量，而ABA合成缺陷突變體則表現(xiàn)出鐵積累升高，表明ABA在種子鐵積累的過程中起負(fù)調(diào)控作用。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ABA受體PYLs可直接與鐵調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子bHLH34/104/115相互作用，阻斷其對(duì)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因YSL1/3的激活功能。遺傳分析證實(shí)，YSL1/3是ABA調(diào)控種子鐵含量的關(guān)鍵下游靶點(diǎn)。而當(dāng)植物處于缺鐵狀態(tài)時(shí)，bHLH104/115反過來抑制ABA合成基因ABA2及受體PYL4表達(dá)，形成一條“鐵-ABA”負(fù)反饋回路，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)種子鐵儲(chǔ)備。

該研究首次將ABA的功能從“調(diào)控種子休眠萌發(fā)”拓展至“營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)調(diào)控”，揭示了植物如何在“鐵充足時(shí)防止毒害、鐵缺乏時(shí)保障供應(yīng)”之間實(shí)現(xiàn)精細(xì)平衡。由于ABA通路、YSL蛋白及bHLH轉(zhuǎn)錄因子在作物中高度保守，該機(jī)制為今后通過基因編輯或精準(zhǔn)育種提升稻米、小麥等主糧作物的鐵含量提供了理論依據(jù)和技術(shù)路徑。

ABA參與調(diào)控種子鐵積累模式圖

西北農(nóng)林科技大學(xué)博士后趙鴻云博士為該論文的第一作者，西北農(nóng)林科技大學(xué)未來農(nóng)業(yè)研究院鄭遠(yuǎn)教授為論文的通訊作者，西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王存教授也參與了該項(xiàng)研究工作。該研究得到了國家自然基金委面上項(xiàng)目，西北農(nóng)林科技大學(xué)引進(jìn)人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，以及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物抗逆高效全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2512997122