转录因子AtHD-START1调控气孔密度提高植物水分利用率的分子机制研究

干旱是最常见的环境胁迫，是限制我国农业可持续性发展的主要因素。应用基因工程来改良作物的耐旱性和提高水分利用率是解决干旱胁迫问题的最佳途径之一，其成败的关键取决于我们是否有可实际应用的抗旱节水基因和对抗旱节水分子机制的深入了解。我们从拟南芥抗旱突变体edt1中分离克隆了AtHD-START1转录因子，该转录因子的激活使突变体抗旱性显著增强，根系构型更优(主根长和侧根多)，以及显著降低的叶片气孔密度而提高水分利用率。在烟草和水稻中过表达该基因可以重演这些功能，这个发现不但为改良农作物抗旱节水性状提供一个具有实际应用价值的基因，也为植物抗旱节水机制研究提供一个独特的系统。在上述研究基础之上，我们应用转录组比对、分子遗传、细胞生物和生理生化等研究手段，较系统地研究了EDT1转录因子对气孔密度的调控、进而对抗旱和水分利用率的影响的分子机制，以及对根系构型的调控机制。我们的研究发现：（1）叶片转录组比对分析获得多个与突变体表型密切相关的靶基因，其中一个重要的靶基因就是ERECTA，EDT1在转录水平直接正向调控控制水分利用率的关键基因ERECTA。（2）气孔密度降低是因为叶片细胞体积成比例增大所致（气孔指数不变），细胞体积增大的一个重要原因是体细胞核倍性增高，并导致细胞代谢活性增强。（3）发现一个ERECTA（受体激酶）的重要磷酸化底物E2Fa，通过遗传分析，定义了一条EDT1调控细胞体积增大的遗传通路，该通路中EDT1在转录水平上调ERECTA，可能使其蛋白磷酸化激酶活性增高，将信号传递至E2Fa，E2Fa活性的增强导致DNA复制加速，导致体细胞核倍性增高，最终导致细胞体积增大和代谢活性增强。（4）通过根系转录组比对分析，发现调控细胞壁柔性的几类细胞壁蛋白基因在edt1突变体根系中被显著上调，大多数被上调的这些基因是只接受EDT1转录因子所调控。这个结果说明细胞壁柔性的调控在根系发育中是一个重要的协同机制。（5）EDT1基因是一个具有实际应用价值的候选基因，已经在9个不同植物物种上验证了它的功能，也证明EDT1介导的抗旱节水和生物量或产量提高的分子机制具有很高的保守性。（6）应用an3突变体再次证明了气孔密度和根系构型对植物抗旱性状的重要性。该项目获得了多项原创性的进展，为农作物抗旱节水性状的改良提供了理论依据和指南。