本周推荐的文章为03月29日黄进课题组每周的文献分享组会上，由蒋文君（2022级生物技术与工程专业硕士研究生）分享的题为“OsAAI1 Increases Rice Yield and Drought Tolerance Dependent on ABA-Mediated Regulatory and ROS Scavenging Pathway”的文章。该文章发表于Rice（中科院一区，IF=5.8，第一作者：Qing Long，通讯作者：Rui Luo）。
文献内容简介
水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的粮食作物之一，世界上一半以上的人口都以水稻作为主食。在水稻的生长过程中，缺水会影响其产量和质量，严重时甚至会导致植物死亡。由于全球气候变化导致全球水资源分布不均，干旱正日益成为造成作物生产力损失的主要原因之一。因此，如何提高水稻的抗逆性，以保证在不利环境条件下水稻产量的稳定性是一项非常紧迫的任务。
脱落酸（Abscisic acid, ABA）是调节植物生长发育的关键激素， 不仅在种子休眠、种子萌发、根系结构发育、胚胎成熟和气孔打开和闭合中发挥作用，同时在植物应对干旱胁迫时也起着至关重要的作用。研究表明，干旱胁迫会诱导植物中 ABA 相关合成基因的表达，从而积累 ABA 并调节气孔关闭，达到保水的目的。除了ABA，活性氧（Reactive oxygen species，ROS）也可调节植物的生长发育。当植物受到各种非生物胁迫（如干旱、盐和温度）后，植物中ROS的产生会显著增加，但ROS的过度积累对细胞有害。研究表明，ROS 可以通过充当第二信使来增强 ABA 信号传导，ROS 与 ABA 相互影响去调节气孔闭合以应对干旱胁迫。这表明 ABA 和 ROS 在植物抵抗胁迫方面发挥重要功能。
研究表明，α-淀粉酶抑制剂（Alpha-Amylase Inhibitors，AAI）、脂质转移（Lipid Transfer，LT）和种子贮藏（Seed Storage，SS）蛋白家族（AAI_LTSS 蛋白家族）是高等植物特有的一个蛋白家族。该家族中的蛋白质不仅在保护植物免受昆虫和病原体侵害方面发挥重要作用，而且还参与细胞内膜之间的脂质转运和营养储存。AAI基因属于AAI_LTSS超家族中的HPS_like亚家族，在最近的一项研究中，棉花GhAAI66蛋白可诱导棉花提前开花。但是关于水稻中AAI基因发挥什么样的功能尚不清楚。
在该研究中，作者首先在水稻和拟南芥中筛选出了OsAAI1的同源基因，并对其进行了多序列比对分析。结果表明，所有蛋白都具有AAI结构域（图1）。作者还进行了系统发育分析和基序分析，发现所有蛋白中都存在1、2、3基序（图2）。
图1. OsAAI1与水稻和拟南芥中的同源基因的多序列比对
图2. OsAAI1与水稻和拟南芥中的同源基因的系统发育和基序分析
为了进一步预测OsAAI1的功能，作者进行了顺式作用元件分析。发现启动子区域含有ABA响应元件、参与干旱诱导的MYB结合位点和MYBHv1结合位点，表明OsAAI1可能在水稻生长发育过程中受到ABA和干旱胁迫的诱导（图3）。
图3. OsAAI1的顺式作用元件分析
为了进一步检测OsAAI1是否对植物激素和非生物胁迫有响应，作者检测了不同处理下OsAAI1的表达量。结果表明，OsAAI1在不同激素和胁迫（如ABA和PEG等）下均有响应（图4A-H）。作者还检测了OsAAI1在水稻的不同时期和不同部位中的表达情况，发现OsAAI1在幼根中表达显著增加，说明OsAAI1基因可能在水稻根系发育中发挥重要作用（图4I）。
图4. OsAAI1对胁迫和激素的响应及其在空间和时间上的差异表达
为了进一步了解OsAAI1的作用机制，作者进行了亚细胞定位分析。结果表明， OsAAI1存在于细胞核中（图5）。
图5. OsAAI1蛋白的亚细胞定位
为进一步探究OsAAI1在水稻生长发育中的作用，作者构建了转基因水稻，并对其表达量进行了检测。此外，还对它们在正常条件下的生长情况进行分析，发现过表达水稻的生长优于ZH11，而突变体水稻的生长差于ZH11（图6）。
图6. 转基因植株在苗期的表型分析
作者还进一步对分蘖期、抽穗期和成熟期的植株进行了农艺性状分析，发现过表达水稻通过调节根系和籽粒发育显著提高了水稻产量（图7）。
图7. OsAAI1农艺性状分析
为了检测OsAAI1在水稻应对干旱胁迫的功能，作者对转基因植株进行了干旱胁迫。结果表明，OsAAI1过表达可以增强水稻对干旱胁迫的耐受性，并减少ROS积累（图8）。
图8. 干旱处理下不同植物的表型、生理指标和染色分析
因为干旱胁迫会引发渗透胁迫，为了进一步检测OsAAI1对渗透胁迫的耐受性，作者使用不同浓度的PEG进行处理。结果表明，OsAAI1过表达可增强水稻对干旱胁迫和渗透胁迫的耐受性，并增强水稻对ROS清除能力（图9）。
图9. 不同浓度PEG处理下，水稻的表型和生理指标分析
为了进一步验证OsAAI1的抗旱性是否由ABA诱导，作者测量了野生型和转基因植株的ABA含量，并检测了ABA相关基因的转录水平。发现OsAAI1通过诱导ABA生物合成、分解代谢和信号传导相关基因的表达来响应干旱胁迫，表明OsAAI1依赖于ABA途径去提高水稻对干旱胁迫的耐受性（图10）。
图10. OsAAI1 参与 ABA 信号通路
为了研究 OsAAI1 对 ABA 的敏感性，作者使用ABA对水稻进行处理。结果表明，OsAAI1的过表达增强了对ABA的敏感性（图11）。
图11. OsAAI1 过表达对 ABA 敏感
文献总结与分析
生物信息学分析表明，OsAAI1属于AAI_LTSS超家族中的HPS_like亚家族。过表达OsAAI1能显著提高水稻根系和地上部分的生长发育，从而提高水稻产量。过表达OsAAI1能诱导ABA生物合成、分解和信号通路相关基因的表达，提高多种维持ROS平衡的抗氧化酶的活性，从而提高水稻对干旱胁迫的耐受性。总之OsAAI1不仅能提高水稻的产量，还能通过ABA途径和清除ROS途径去提高水稻对干旱胁迫的耐受性。
于本课题组启示
本课题组的硕士研究生蒋文君研究水稻基因在非生物胁迫下的作用机制。目前，会涉及对植物进行DAB和NBT染色。因此对本篇文章中关于如何进行染色的实验方法可以进行学习。除此之外，蒋文君同学的课题目前猜测与ABA信号通路相关，如何去开展相关研究也可以对本篇文章的相关思路进行参考，比如测定植物中ABA的含量，以及相关基因的表达量。
原文链接：https://thericejournal.springeropen.com/articles/10.1186/s12284-023-00650-3#Sec18
