客观日本

日本发现可增强植物耐盐性的新化合物,有望开发出抗盐害肥料和农药

2020年06月02日 农林牧渔

日本理化学研究所(简称“理研”)环境资源科学研究中心植物基因组表达研究小组的关原明组长和佐古香织特别研究员(研究时)等人组成的联合研究团队发现,新化合物“FSL0260”可以增强植物的耐盐性。

这项研究成果有助于开发对人体的不良影响较小,并能增强农作物耐盐性的肥料和农药。

盐害常见于灌溉农业引起的盐分聚积,以及沿海地区,会严重影响农作物的生产。此前为提高农作物的耐盐性采取的对策是实施品种改良,但存在育种方法耗时较长的问题。

此次,联合研究团队利用理研的NPDepo化合物数据库,探索(筛选)了能增强植物耐盐性的化合物,最终成功锁定了新化合物FSL0260。另外还发现,FSL0260能抑制线粒体电子传递系统的复合体Ⅰ,从而激活线粒体替代呼吸系统,而且会抑制在高盐胁迫下发生的活性氧积累,由此来增强植物的耐盐性。

研究方法与成果

联合研究团队为了确定能增强耐盐性的化合物,利用理研的NPDepo化合物数据库(405种化合物)和模式植物——双子叶植物拟南芥,探索(筛选)了能增强耐盐性的化合物。发现名为“FSL0260”的新化合物可以增强耐盐性(图1)。

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图1:新化合物FSL0260的结构式(左)和耐盐性实验(右);对在液体培养基中生长的拟南芥实施高盐胁迫后,拟南芥发白枯死(右图右上);而添加FSL0260处理24小时的植物在高盐胁迫下也存活了下来(右图右下)。

接下来,为调查FSL0260增强耐盐性的机制,联合研究团队实施了全面的基因表达解析。解析发现,作为线粒体电子传递系统的旁路工作的线粒体替代呼吸系统,其基因表达随着实施FSL0260处理而增强。因此,研究团队调查线粒体电子传递系统的活性发现,实施FSL0260处理会抑制复合体Ⅰ的活性(图2a)。但在动物线粒体中,复合体Ⅰ的活性没有被抑制,这表明FSL0260的功能可能是植物线粒体特有的(图2b)。

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图2:FSL0260对线粒体电子传递系统的复合体Ⅰ的抑制活性。
(a)利用从土豆中分离出来的线粒体,测量了复合体Ⅰ的活性。FSL0260的浓度越高,抑制效果越强。(b)利用从牛心脏中分离出来的线粒体,测量了复合体Ⅰ的活性。活性未受FSL0260抑制。作为对照,使用现有抑制剂鱼藤酮测量发现,活性受到抑制。

另外,线粒体替代呼吸系统被认为会抑制活性氧的产生。联合研究团队利用FSL0260对暴露于高盐胁迫下的拟南芥进行处理发现,FSL0260会抑制活性氧的积累(图3左)。以上结果表明,FSL0260通过抑制线粒体电子传递系统的复合体Ⅰ,会激活线粒体替代呼吸系统,并抑制在高盐胁迫下发生的活性氧积累,由此来增强植物的耐盐性(图3右)。此外,单子叶植物水稻通过实施FSL0260处理也抑制了活性氧的积累,因此可以确认,无论是单子叶植物还是双子叶植物,均能利用FSL0260增强耐盐性。

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图3:FSL0260的活性氧抑制实验及耐盐性增强机制。
(a)在高盐胁迫下,拟南芥中积累活性氧,叶子通过NBT染色变成蓝色。而利用FSL0260进行处理后,即使在高盐胁迫下,也抑制了活性氧的积累;(b)FSL0260通过抑制线粒体电子传递系统的复合体Ⅰ,会激活线粒体替代呼吸系统,并抑制在高盐胁迫下发生的活性氧积累,由此来增强植物的耐盐性。

未来展望

联合研究团队通过此次的研究发现,新的线粒体抑制剂FSL0260能增强植物的耐盐性。FSL0260的抑制效果只对植物有效,因此利用该成果,有望开发出对人体的毒性比较低,而且能帮助农作物抵抗盐害的肥料和农药,有助于提高产量。

论文信息
题目:Inhibition of mitochondrial complex I by the novel compound FSL0260 enhances high salinity-stress tolerance in Arabidopsis thaliana
期刊:《Scientific Reports》
DOI:10.1038/s41598-020-65614-9

日语发布原文

中文:JST客观日本编辑部

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