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科技日报记者 王延斌 通讯员 郭翠华

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小麦白粉病、赤霉病、蚜虫被称为小麦的“两病一虫”,是影响小麦产量及品质的“杀手”。近日,山东农业大学植物保护学院董汉松教授团队发表在国际期刊《分子植物》中的成果揭示,小麦水通道蛋白TaPIP2;10通过两个位点上的磷酸化,能提高小麦产量,增强小麦对“两病一虫”的抵抗能力,这为同步改良小麦产量与免疫性状、设计育种等提供了重要理论依据。

植物水通道蛋白是细胞运输小底物的膜通道,可以介导二氧化碳、过氧化氢等多种小分子化合物在细胞内外转运,由此调控植物生长发育和免疫应答等多种生理过程,成为国内外学者研究的热点方向。科学家之前的研究表明,光合作用是植物生长发育和物质生产的基础,光合作用效率是植物和作物生长发育的决定因素,在拟南芥中,植物水通道蛋白通过影响机体中二氧化碳运输促进光合作用和植物生长发育。过氧化氢作为信号分子激活植物防御网络参与植物免疫反应,而水通道蛋白像一个“门控”可以调控过氧化氢的跨膜运输。

董汉松团队长期从事小麦水通道蛋白方面的研究,证实了小麦株高、鲜重、粒重和籽粒产量均由TaPIP2;10基因沉默而显著降低,因TaPIP2;10基因过表达而显著提高。同时,在对大气中二氧化碳浓度升高的反应中,小麦TaPIP2;10在S280位点上发生磷酸化,磷酸化的TaPIP2;10将环境二氧化碳转入小麦细胞内,从而增强光合作用,促进小麦生长发育,最终提高籽粒产量。

他们在研究中还发现,在对小麦接种白粉病菌、赤霉病菌时,诱导小麦质外体过氧化氢爆发,从而使得TaPIP2;10在S121位点处发生磷酸化,而磷酸化的TaPIP2;10将质外体过氧化氢转入小麦细胞质,最终形成小麦细胞的免疫反应(PTI)。小麦被蚜虫攻击时,同样诱导小麦质外体过氧化氢爆发,而过氧化氢同样诱导TaPIP2;10在S121上发生磷酸化,并经由TaPIP2;10跨膜转运进入小麦细胞质,过氧化氢随后激发小麦韧皮部防卫反应(PBD)。

“无论白粉病菌、赤霉病菌侵染还是蚜虫侵袭,都能激活PTI和PBD。PTI和PBD的激活能有效抵御病菌侵染和蚜虫侵袭,从而显著挽回‘两病一虫’造成的产量损失。”董汉松向记者介绍。根据上述结果,他们提出了TaPIP2;10促进小麦生长发育和抗病抗虫的功能模式。