邱保勝課題組在荒漠藍(lán)藻耐干燥脫水研究方面取得重要進(jìn)展

華大在線（通訊員 鄧淑文）近日，國際著名學(xué)術(shù)期刊PNAS發(fā)表了生科院邱保勝教授課題組關(guān)于荒漠藍(lán)藻耐干燥脫水的最新研究進(jìn)展，論文題目為“Coevolution of tandemly repeated hlips and RpaB-like transcriptional factor confers desiccation tolerance to subaerial Nostoc species”（https://doi.org/10.1073/pnas.2211244119）。

干燥脫水（Desiccation）是自然界最嚴(yán)酷的逆境脅迫之一，嚴(yán)重影響生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理功能。雖然絕大多數(shù)生物干燥脫水后都不能存活，但少數(shù)物種可以從長期完全脫水狀態(tài)下再次吸水復(fù)蘇，這種“干而不死”的奇特現(xiàn)象一直是生物學(xué)界感興趣的話題。1702年，顯微鏡之父安東尼·列文虎克觀察到輪蟲干燥脫水后可以復(fù)活，此后科學(xué)家們圍繞釀酒酵母、復(fù)蘇植物和水熊蟲等復(fù)蘇生物的耐干燥脫水開展了大量研究。近20年來，多組學(xué)技術(shù)的綜合運(yùn)用為人們揭示生物耐受干燥脫水的機(jī)制提供了一些線索，幾個(gè)脅迫效應(yīng)蛋白被認(rèn)為在其中發(fā)揮重要功能。由于復(fù)蘇生物往往缺乏遺傳操作系統(tǒng)，這些蛋白在生物體內(nèi)，特別是在光合生物中的作用機(jī)制仍不清楚。荒漠藍(lán)藻在生物土壤結(jié)皮的形成與群落演替中發(fā)揮關(guān)鍵作用，揭示它們?cè)诟稍锩撍^程中獨(dú)特的光合保護(hù)機(jī)制，將有助于更好地理解光合生物的脫水耐受策略，為荒漠退化土地生態(tài)修復(fù)的技術(shù)革新與農(nóng)作物的抗旱育種提供新思路。

邱保勝課題組二十多年致力于荒漠藍(lán)藻發(fā)菜的研究，受邀為國家林業(yè)和草原局提供野生植物發(fā)菜國家一級(jí)保護(hù)的定級(jí)咨詢建議，被國務(wù)院批準(zhǔn)的新版《國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄》采納。課題組率先向國際同行公布并共享了發(fā)菜的全基因組信息，構(gòu)建了發(fā)菜轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)篩選系統(tǒng)平臺(tái)，運(yùn)用基因編輯技術(shù)突破了發(fā)菜遺傳操作技術(shù)瓶頸，進(jìn)而將發(fā)菜發(fā)展成為研究荒漠藍(lán)藻的模式材料。在此基礎(chǔ)上，課題組鑒定到發(fā)菜基因組中一個(gè)高光誘導(dǎo)蛋白四基因串聯(lián)重復(fù)（hlip-cluster），在發(fā)菜耐受干燥脫水過程中發(fā)揮重要作用。該基因串聯(lián)重復(fù)能特異、快速地響應(yīng)干燥脫水而上調(diào)表達(dá)。通過基因編輯技術(shù)獲得敲除突變體后，光系統(tǒng)II修復(fù)能力受損，耐干燥脫水能力顯著下降。同時(shí)，hlip-cluster異源表達(dá)能顯著增強(qiáng)脫水敏感藻株Nostoc PCC 7120的脫水耐受性。通過轉(zhuǎn)錄因子文庫篩選，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Hrf1可協(xié)同調(diào)控hlips-cluster與干燥誘導(dǎo)型psbA的表達(dá)，其在發(fā)菜適應(yīng)惡劣的荒漠生境中起負(fù)向調(diào)節(jié)作用。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，Hlip-cluster與轉(zhuǎn)錄因子Hrf1在陸生念珠藻類群中發(fā)生共進(jìn)化，這為光合生物的耐旱機(jī)制提供了新的進(jìn)化視角。課題組的研究表明，念珠藻中Hrf1-hlips模塊可促進(jìn)干燥脫水過程中hlips的快速高效表達(dá)，最大限度地減少干燥脫水過程中的光損傷，從而使其在清晨短暫的復(fù)水生長窗口期內(nèi)迅速恢復(fù)光合活性，爭取更多的生長時(shí)間，得以在極端惡劣的荒漠環(huán)境中生存。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助，課題組博士后徐海鋒為論文第一作者，戴國政副教授為共同第一作者，博士生白揚(yáng)、博士后尚金龍等人參與了該項(xiàng)研究，美國德克薩斯理工大學(xué)施華中教授和以色列希伯來大學(xué)Aaron Kaplan教授對(duì)該工作亦有重要貢獻(xiàn)。邱保勝教授為論文通訊作者，華中師范大學(xué)為論文的第一完成單位。

圖1. hlip基因簇與轉(zhuǎn)錄因子Hrf1的共進(jìn)化讓陸生念珠藻獲得耐干燥脫水能力

（審讀人：謝波）