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酸性土壤的破局者：桃金娘如何“化害為利”？
——揭示ALMT家族功能分化促進(jìn)植物對酸鋁環(huán)境的適應(yīng)機制
酸性土壤是全球分布最廣泛的耕地土壤類型之一，其面積占全球潛在耕地總量的50%以上，在我國南方更是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心土壤基質(zhì)。然而，酸性土壤中釋放的可溶性鋁離子(Al3?)極易對植物根系造成損傷，是限制作物生長發(fā)育的關(guān)鍵非生物脅迫因子。自然界中部分植物演化出了獨特的鋁適應(yīng)策略，泛熱帶亞熱帶分布的桃金娘科植物普遍對酸鋁環(huán)境具有良好的適應(yīng)，包括該科代表物種桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)。作為酸性土壤的指示物種和我國南方退化生態(tài)系統(tǒng)的先鋒樹種，桃金娘不僅能在高鋁脅迫環(huán)境中正常生長，還可利用低濃度鋁離子促進(jìn)自身發(fā)育。這一“化害為利”的特殊現(xiàn)象背后的分子機制，長期以來備受學(xué)界關(guān)注。
近日，中國科學(xué)院華南植物園鄧書林研究員團(tuán)隊在植物學(xué)經(jīng)典期刊Plant Physiology上發(fā)表題為“Functional divergence of ALMTs mediates organic acid transport and callose synthesis for aluminum tolerance in rose myrtle”的研究論文，系統(tǒng)解析了桃金娘適應(yīng)鋁脅迫并實現(xiàn)鋁促生長的雙重分子調(diào)控機制。
研究團(tuán)隊圍繞桃金娘響應(yīng)鋁脅迫的核心通路展開深入探究，發(fā)現(xiàn)鋁激活蘋果酸轉(zhuǎn)運蛋白(ALMT)家族中的兩個關(guān)鍵基因RtALMT11與RtALMT18存在顯著的功能分化特征，為解析植物鋁適應(yīng)的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了全新視角。該研究從系統(tǒng)生物學(xué)層面闡明，ALMT基因家族正是通過功能分化的方式，實現(xiàn)對植物鋁響應(yīng)過程的精細(xì)調(diào)控：RtALMT11介導(dǎo)經(jīng)典的鋁誘導(dǎo)型防御響應(yīng)，通過分泌蘋果酸螯合根際鋁離子以降低其毒害作用，屬于被動抵御鋁脅迫的策略;而RtALMT18則演化出低鋁誘導(dǎo)的類組成型表達(dá)特性，不僅參與調(diào)控細(xì)胞壁胼胝質(zhì)合成，還能協(xié)同調(diào)控植物生長信號通路，實現(xiàn)“耐鋁脅迫”與“促進(jìn)生長”的雙重功能，代表了一種主動適應(yīng)鋁環(huán)境的進(jìn)化方向。這種功能分化模式，使桃金娘能夠精準(zhǔn)應(yīng)對不同濃度的鋁離子環(huán)境——在低鋁條件下促生增效，在高鋁脅迫下防御自保，最終實現(xiàn)對酸性土壤生境的完美適應(yīng)。
該研究拓展了植物鋁毒耐受與鋁促生長的分子理論體系，為植物逆境適應(yīng)的進(jìn)化生物學(xué)研究提供了新的框架，揭示了ALMT基因家族功能分化的具體機制，為該基因家族的功能演化研究開辟了全新方向。桃金娘中兼具耐鋁與促生功能的關(guān)鍵基因RtALMT18為作物分子育種提供了優(yōu)質(zhì)的基因資源。該研究成果為桃金娘應(yīng)用于酸性土壤的生態(tài)修復(fù)提供了重要的理論依據(jù)與技術(shù)支撐。
華南植物園已出站博士后楊玲為該論文第一作者，鄧書林研究員為通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和廣東省科技計劃項目資助。
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