J. ADV. RES. | 中国农业科学院棉花研究所叶武威研究员团队揭示棉花抗坏血酸合成基因响应碱胁迫的分子调控机制

全球盐碱地面积持续增加，严重威胁着农业生产和粮食安全。棉花作为盐碱地的先锋作物，对盐碱地具有较强的适应性。然而，盐碱胁迫对棉花生长和产量的影响非常显著。对棉花耐盐碱机制进行深入研究和培育耐盐碱棉花新品种，不仅可以有效利用盐碱地，还可以提高棉花产量和品质，对促进农业可持续发展具有重要意义。抗坏血酸是植物体内重要的水溶性抗氧化剂，能清除活性氧，并作为酶辅因子，通过维持氧化还原平衡、保护细胞膜完整性及激活抗氧化系统增强植物对非生物胁迫的耐受能力。然而，抗坏血酸调控棉花耐碱的机制尚不明确。

近日，中国农业科学院棉花研究所叶武威研究员团队在国际知名期刊Journal of Advanced Research上发表了题为“GhGLDH35A gene-mediated ROS homeostasis and stomatal movement via the ascorbic acid pathway confers alkaline stress tolerance”的研究论文，揭示了坏血酸合成途径的L-半乳糖酸-1,4-内酯脱氢酶基因（GhGLDH35A）通过调控抗坏血酸的合成、维持细胞内的活性氧稳态和气孔运动，正向调控棉花对碱胁迫的抗性。

该研究对萌发期和三叶期棉花进行盐和碱胁迫处理，发现碱胁迫对棉花的危害要显著大于盐胁迫。碱胁迫显著抑制棉花种子的萌发，抑制下胚轴的伸长。同时破坏三叶期棉花幼苗的光合系统、导致活性氧积累、气孔关闭。证明了碱胁迫所导致的气孔关闭是因为活性氧的积累引起。

图1 盐和碱胁迫下棉花下胚轴及三叶期幼苗的表型

该研究证明了抗坏血酸合成途径在棉花抵御碱胁迫中发挥了重要作用。对关键基因L-半乳糖酸-1,4-内酯脱氢酶（GhGLDH35A）基因进行了耐碱性分析。亚细胞定位分析显示GhGLDH35A定位在线粒体中。沉默GhGLDH35A基因降低了棉花的耐碱性。抗坏血酸含量显著下降、活性氧积累、气孔导度显著增加、光合作用显著下降。在拟南芥中过表达GhGLDH35A基因显著增加了拟南芥的耐碱性。抗坏血酸含量显著提高、活性氧积累显著下降、气孔导度显著降低、光合作用显著增加。

图2 GhGLDH35A基因正向调控棉花和拟南芥的耐碱性

综上，GhGLDH35A基因在盐碱胁迫下表达量显著增加，并通过调控抗坏血酸的合成，维持细胞内的活性氧稳态，从而减轻盐碱胁迫对棉花的损害。此外，该基因还能够调控气孔运动，减少水分散失，提高棉花的光合作用效率。研究结果为解析棉花耐碱机制提供了新视角，并为耐碱棉花的育种提供了重要的理论基础和基因资源。

图3 GhGLDH35A基因调控棉花耐碱的作用机制模型图

中国农业科学院棉花研究所叶武威研究员团队博士毕业生范亚朋、王帅助理研究员为论文共同第一作者，叶武威研究员为总通讯作者。该研究得到了国家生物育种重大项目、山东省科技示范项目、中国农业科学院科技创新工程、国家现代农业产业技术体系和国家盐碱地综合利用技术创新中心核心攻关团队等项目资助。