发现植物新的干旱胁迫响应机制— 克服“看不见的干旱”，开辟作物大幅增收的道路

2023年10月3日国际农研京都大学名古屋大学东京大学研究生院农学生命科学研究科农研机构国际合作组织

重点

发现从营养缺乏响应开始的植物新的干旱胁迫响应机制

开发了利用垄来在田地里稳定诱导干旱的实验系统

能够尽早捕捉直接导致减产的“看不见的干旱”，优化灌溉

概要

国际农研、京都大学、名古屋大学、理化学研究所、东京大学及农研机构的研究小组在世界上首次发现，在看不到叶子枯萎的程度的极初期的干旱1 )中，植物体内的磷酸2 )量下降，产生磷酸缺乏应答3 )。在温度异常、盐害、病虫害等各种环境因素中，干旱是对作物生产伤害最严重的环境压力。不仅是枯萎的看得见的干旱造成的灾害，即使是叶子枯萎的轻度干旱，也会带来产量减半的巨大灾害。但是，对于这样的“看不见的干旱”，植物在实际的田地里是如何响应的，这不仅是因为田地的环境会发生复杂的变化，而且如果下了足够的雨就无法进行干旱试验，因此至今为止还不清楚。因此，研究小组为了人为稳定地诱导轻度的干旱，开发了以前在干旱研究中没有利用过的、以改善排水为目的的利用了将田地里的土隆起的“垄”的实验系统。此外，通过6年的田间实证试验，在每年变化的环境条件下，垄沟也成功稳定诱导了干旱。通过使用该实验系统对田间大豆的全面分析，我们发现，在此前已知的脱落酸4 ) ( ABA )响应发生之前，叶子不枯萎的初期干旱中，植物的磷酸量下降，会引起磷酸缺乏响应。另外，实验室使用拟南芥5 )进行的分析表明，磷酸缺乏应答相关的关键基因在干旱初期植物的生长中起着重要的作用。通过本研究的成果，可以定量检测植物对干旱初期“看不见的干旱”的响应水平。这为开发能够在作物产量受到干旱影响之前优化水分供应的划时代技术开辟了道路。这样，本研究中使用垄的干旱实验体系的开发以及作为捕捉“看不见的干旱”指标的磷酸缺乏应答的发现，有望为将来的食品安全保障的改善做出贡献。本研究成果刊登在国际科学专业杂志《Nature Communications》在线版(日本时间2023年8月19日)上。

相关信息

本研究利用了运营费补助金项目“regiset作物及其生产技术的开发”、科研费( 18K05379、21H02158、16K07412以及24510312 )、月摄型农林水产研究开发事业“网络物理系统” 这是在科学技术振兴机构( JST )和国际合作机构( JICA )的合作事业——应对全球规模课题国际科学技术合作计划( SATREPS )“高营养价值作物奎宁的抗性强化生产技术的开发和普及”的支持下进行的。

発表論文

论文作者

Nagatoshi, Y., Ikazaki, K., Kobayashi, Y., Mizuno, N., Sugita, R., Takebayashi, Y., Kojima, M., Sakakibara, H., Kobayashi, N.I., Tanoi, K., Fujii, K., Baba, J., Ogiso-Tanaka, E., Ishimoto, M., Yasui, Y., Oya, T. Fujita, Y.

论文标题

Phosphate starvation response precedes abscisic acid response under progressive mild drought in plants

杂志

Nature Communications

DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-023-40773-1

咨询处等

国际农研(茨城县筑波市)理事长小山修研究推进负责人:国际农研计划总监中岛一雄研究负责人:国际农研生物资源利用领域主任研究员永利友佳理国际农研生物资源利用领域项目带头人藤田泰成宣传负责人:国际农研信息宣传室长大森圭祐冲压用e-mail:koho-jircas @ ml.affrc.go.jp

研究的背景和经过

近年来，随着全球变暖，世界范围内极端气象频发，干旱对作物生产的损害急剧增加。即使是叶子枯萎的“看不见的干旱”，作物的生长也显著下降，在世界范围内造成了巨大的产量损失。另一方面，世界人口不断增加，作物的稳定生产和生产力的进一步提高成为当务之急。国际农研以开发抗旱作物为目标，多年来致力于阐明水稻和大豆等主要作物的干旱胁迫响应机制。在一系列的研究过程中，为了将实验室获得的模式植物知识应用于作物，通过国际联合研究开展了田间试验。然而，在环境不规则变动的农田中再现一定的干旱环境并不容易，实际农田中植物的干旱胁迫响应尚不清楚。因此，研究小组在挑战开发突破该田间试验难题的方法的同时，通过构建能够在实验室中再现田间观察到的现象并进行详细分析的实验体系，致力于接近植物干旱胁迫响应的分子机制本质的研究。本研究关注导致巨大作物生产损失的“看不见的干旱”，通过将以前没有用于研究用途的“垄”用于干旱研究，给旱地干旱研究带来了新的范式。此外，迄今已发现植物激素ABA在植物体内水分缺乏时起重要作用，但本研究发现了与已知ABA响应不同的新干旱胁迫响应机制。

研究方法和成果

本研究选择了籽粒产量用水量最多的主要作物大豆和模型实验植物拟南芥作为研究材料，以揭示植物在田间干旱胁迫响应机制。通过田地、实验室、作物和模式植物相结合的一系列“现场到实验室”研究，主要阐明了以下五点。通过6年的田间试验，证实了使用高30 cm的垄可以再现大豆产量减少约50%的“看不见的干旱”。迄今为止，在难度较大的田间干旱试验中，无需安装雨棚6 )等昂贵的设备，就可以用经济且通用性强的方法进行(图1 )。通过对垄旱条件下栽培的大豆叶片(图2 )的全面基因表达分析，发现轻度干旱胁迫会特异性诱导磷酸缺乏响应。另外，大豆叶的磷酸含量因干旱而降低一事得到了证实。在能够控制温度和光照条件的植物培养器中，通过对控制盆内土壤水分含量栽培的大豆的分析(图2 )，表明在干旱初期磷酸含量降低，会诱导磷酸缺乏响应。并且，确认了随着干旱的发展，迄今为止的见解中明确的ABA含量增加，诱导应答ABA的基因组的表达( ABA应答)。在模型植物拟南芥(图2 )中，也发现在干旱胁迫初期，由于磷酸摄入的减少，植物体内的磷酸浓度减少，从而诱导磷酸缺乏应答。该结果表明，这不仅是田间大豆，也是干旱时植物的普遍现象(图3 )。无法诱导磷酸缺乏应答的拟南芥突变体与普通野生型拟南芥相比，干旱时的生长受到明显抑制。该结果表明，干旱初期的磷酸缺乏响应对保持干旱状态下的生长起着重要作用。

研究成果.今后的期待

由于定量地表示了“看不见的干旱”给作物生产带来的巨大损失，因此可以为创造关注“看不见的干旱”的新研究领域、开发以磷酸缺乏响应为指标的干旱感知传感器等相关领域的扩大和活性化做出贡献。另外，在本研究中，开发了利用“垄”的干旱实验系统，可以在世界的田地和研究机构中廉价且简便地实施田地里的干旱研究和抗旱品种的选拔。因此，根据包括发展中国家在内的各个地区的情况，可以在全球范围内促进各种作物品种的抗旱系统的创建。通过为复杂而难以捕捉的田间干旱研究提供一条途径，可以期待一下子加快田间干旱胁迫响应分子机制的阐明。今后，本研究的成果可以通过抗旱作物的开发和消除产量损失的灌溉优化等，强化作物生产的阻力7 )，期待为世界的食品安全保障做出贡献。

术语解说

1 )干旱

指雨少或长时间不下雨时发生的缺水状态，但根据缺水的时间、频率、持续时间和强度等程度，对植物的影响也有很大的不同。用一句话来表达“干旱”，其实是非常复杂，很难捕捉的现象。

2 )磷酸

植物生长必需的营养素中，是三大营养素之一(氮、磷酸、钾)。是植物体内核酸的组成成分，也是与蛋白质合成和能量代谢相关的重要物质。

3 )磷酸缺乏应答

是指磷酸缺乏时，在植物体内诱导基因表达等，导致磷酸进入植物体内的能力增大，根圈形态发生变化的应答反应。这项研究特别关注磷酸缺乏诱导的特异性基因表达。

4 )氰酸

是植物激素之一，简称ABA。众所周知，它在植物的干燥胁迫应答和种子休眠中起着重要的作用。

5 )拟南芥

十字花科的一年生草本植物。由于基因组大小小、一代短、可在室内容易栽培、可获得大量种子等特点，作为模型实验植物在世界各地被用于研究。

6 )防雨棚

是为了避免田地下雨的装置的总称。既有作为防雨而在田地里常设有阳光透过的屋顶的类型的雨避难所，也有下雨时屋顶自动移动，避免在试验用的田地里淋雨的类型的雨避难所。后者的自动屋顶移动的类型的雨避难所与常设型的不同，在将屋顶带来的微气象的影响抑制在最小限度这一点上很有效，但由于其导入和维持也需要高额费用，所以现状是主要只在以欧美为中心的发达国家使用。

7 )注册表项

是指耐受干旱等环境压力等对作物生产产生负面作用的各种外部因素的能力和从中恢复的能力。

图1 .利用垄沟可以人工诱导干旱胁迫

通过使用高30 cm的垄，垄区的土壤水分比通常区减少，大豆的生长和产量显著降低。左图显示了播种后第56天大豆的生长状况。设置在试验区的土壤水分传感器的信息通过黑色电缆存储在白箱子里的记录装置中，对试验区内的土壤水分进行经时监测。右图显示了在各个试验区生长的收获时大豆的情况和收获的大豆种子。即使在这种情况下，大豆的产量也只有大约一半左右。可见，即使在看不到枯萎的“看不见的干旱”中，也给作物生产带来了很大的损害。实验地点是茨城县筑波市。

图2 .田间和实验室、模型作物和模型实验植物相结合，阐明田间干旱胁迫响应机制的举措

通过将主要作物的大豆和模型实验植物拟南芥、实验室和田间研究分别结合起来，在实验室中详细验证在田间作物上观察到的现象的“从现场到实验室”研究，获得了新的知识。

图3 .证实在干旱胁迫的初期阶段会产生磷酸缺乏响应

在这次的研究中，我们发现，在迄今为止已知的ABA响应发生之前，在初期的干旱中，在叶子看不到枯萎的程度上，植物的磷酸量会下降，从而引起磷酸缺乏响应。本研究提出了植物干旱胁迫响应的新模型。