近日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控團(tuán)隊(duì)在國際植物學(xué)期刊《Nature Plants》在線發(fā)表了題為 “Introducing Selective Agrochemical Manipulationof Gibberellin Metabolism into a Cereal Crop” 的最新研究成果。該研究分析了單雙子葉作物玉米與棉花對植物生長調(diào)節(jié)劑1，1-二甲基哌啶鎓氯化物（1，1-dimethyl-piperidinium chloride，DPC）敏感性的差異，揭示了DPC調(diào)控靶標(biāo)蛋白赤霉素合成關(guān)鍵酶-柯巴基焦磷酸合酶 （ent-copalyl diphosphate synthase， CPS）的生化機(jī)制，并利用基因編輯手段提高了玉米對DPC的敏感性。該研究對推動作物化控栽培技術(shù)原理發(fā)展具有重要的理論意義，且在利用生物技術(shù)手段構(gòu)建易于調(diào)節(jié)劑調(diào)控的“輕簡”作物（Easy-Crop）方面邁出了重要一步，更進(jìn)一步推動常規(guī)作物栽培與現(xiàn)代生物技術(shù)的有效融合。

以資源節(jié)約為核心的精準(zhǔn)、簡化、高效栽培技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向，其中作物化學(xué)控制技術(shù)在作物生長定量調(diào)節(jié)、株型調(diào)控、微生態(tài)環(huán)境改善等方面具有獨(dú)特效果，已成為棉花、玉米、水稻等栽培中的常規(guī)技術(shù)。在作物生產(chǎn)中，植物生長調(diào)節(jié)劑多為小分子化合物，其與靶標(biāo)蛋白質(zhì)大分子結(jié)合或互作調(diào)控作物生長，但不同作物靶標(biāo)蛋白質(zhì)分子空間構(gòu)象與結(jié)合位點(diǎn)存在差異，導(dǎo)致物種間對小分子調(diào)節(jié)劑敏感性存在差異。調(diào)控赤霉素合成和信號通路關(guān)鍵基因是“綠色革命”以來提高谷物產(chǎn)量和資源利用效率的重要途徑。以赤霉素合成為調(diào)控靶標(biāo)的調(diào)節(jié)劑DPC，顯著調(diào)控棉花植株生長，有效塑造株型，但其在玉米、水稻等調(diào)節(jié)作用不明顯。因此，揭示DPC對不同作物生長調(diào)控敏感性差異分子機(jī)制，對拓展DPC在作物上應(yīng)用具有重要意義。

本研究比較分析了DPC對玉米和棉花株高調(diào)控，明確了DPC可顯著調(diào)節(jié)了棉花植株生長，但對玉米植株生長影響較小。體外純化CPS蛋白并分析DPC對其抑制機(jī)制，發(fā)現(xiàn)DPC降低了CPS酶Kcat、KM，提高了CPS酶的Ksi，因此推測DPC是CPS的非競爭性抑制劑，并可能通過別構(gòu)作用抑制CPS酶活性。同時(shí)，DPC顯著抑制了棉花和擬南芥CPS酶活性，但對玉米CPS酶活性抑制較小。此外，將棉花GhCPS和玉米ZmCPS1分別回補(bǔ)到擬南芥CPS突變體ga1-1和ga1-5中，發(fā)現(xiàn)GhCPS回補(bǔ)株系對DPC敏感，而ZmCPS1回補(bǔ)株系對DPC不敏感。這表明不同作物CPSs蛋白差異是導(dǎo)致DPC對不同作物調(diào)控存在敏感性的主要原因。本研究進(jìn)一步利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建了玉米ZmCPS1的缺失突變體zmcps1，并將GhCPS回補(bǔ)到zmcps1，獲得的轉(zhuǎn)基因玉米株系對DPC的敏感性顯著提高。該結(jié)果說明，利用現(xiàn)代基因編輯技術(shù)改良調(diào)節(jié)劑靶標(biāo)基因，能夠使作物符合化學(xué)調(diào)控技術(shù)需求，實(shí)現(xiàn)遺傳育種手段與栽培技術(shù)應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，為“輕簡”作物構(gòu)建提供新的思路。

我校農(nóng)學(xué)院博士后張娟與張鈺石為本文的共同第一作者，李召虎教授和美國愛荷華州立大學(xué)Reuben J. Peters教授為本論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等資助。