解析水稻 PUT3 基因：对百草枯抗性与植株适应性的双重影响

为解决作物对百草枯（PQ）抗性及相关机制的问题，研究人员以水稻为对象，研究 PUT3 基因对 PQ 抗性和植株生长发育的影响。结果发现 PUT3 基因缺失使水稻获 PQ 抗性，但影响多胺水平和植株生长。该研究为作物抗 PQ 育种提供重要参考。

　　在农业生产的大舞台上，除草剂扮演着至关重要的角色。百草枯（PQ）作为一种全球广泛使用的快速起效、非选择性除草剂，能迅速消灭杂草，在免耕农业中发挥着关键作用。它进入植物体内后，会在叶绿体中抑制光系统 I 的电子传递，产生大量有毒的活性氧物种（ROS），严重破坏植物，从而达到除草的目的。然而，随着百草枯的持续使用，杂草对其产生了抗性，这对农业生产构成了潜在威胁。目前，人们对作物应对百草枯的分子机制了解有限，如何让作物获得百草枯抗性，同时又不影响其自身的生长和产量，成为了科研人员亟待攻克的难题。

在这样的背景下，来自国外的研究人员勇敢地迎接挑战，开展了一项针对水稻的研究。他们聚焦于水稻中的多胺转运蛋白基因 PUT3，深入探究其对百草枯抗性以及植株生长发育的影响。这项研究成果发表在《Biochemical Journal》上，为相关领域带来了新的曙光。

研究人员在本次研究中运用了多种关键技术方法。在材料获取上，利用已有的水稻 T-DNA 插入突变体，这些突变体分别来自 Hwayoung（HY）和 Tainung 67（TNG67）两个水稻品种的 PUT3 基因位点。在基因分析方面，通过提取水稻叶片的基因组 DNA 和 RNA，进行基因分型、Southern blot 分析以及 RT-qPCR 实验，以此来确定基因的表达情况。同时，运用 HPLC 技术测定植物组织中的多胺和维生素 B₁（thiamine）含量，从代谢层面揭示基因变化带来的影响。

研究结果

1. PUT3 基因缺失赋予水稻 PQ 抗性，但影响发育和多胺水平：研究人员发现，水稻 PUT3 基因有三个同源基因 PUT1 - 3，他们着重研究了与拟南芥 PUT3 最为相似的 PUT3 基因。在 HY 和 TNG67 两个品种中，T-DNA 插入导致 PUT3 基因转录水平无法检测，分别得到 put3^HY和 put3^TNG67突变体。与野生型相比，这两个突变体的发芽种子对培养基中的 PQ 具有耐受性，说明 PUT3 基因功能丧失赋予了水稻 PQ 抗性。然而，在生长发育方面，put3^HY幼苗发育明显受损，而 put3^TNG67幼苗在发育过程中外观与野生型相似。不过，两个突变体的种子发芽率均低于野生型。在多胺水平方面，put3^HY的地上部分多胺总量显著增加，主要是腐胺（Put）和亚精胺（Spd）的增加；put3^TNG67的地上部分多胺总量与野生型无显著差异。在根组织中，put3^HY的精胺（Spm）显著增加，而 put3^TNG67无明显变化。成熟未抛光种子中，put3^HY和 put3^TNG67的多胺水平均升高，主要是 Spm 的增加。而维生素 B₁浓度在突变体和野生型之间没有显著差异。
2. Os^put3HY的表型可通过导入 Os^PUT3消除：为了验证 PUT3 基因在发育障碍和 PQ 抗性中的作用，研究人员将来自 Nipponbare 品种的 PUT3 转基因（AtUBQ10_pro:PUT3^Nipponbare）通过稳定转化导入 put3^HY中。获得的三个转基因株系（put3^comp）PUT3 基因表达水平显著高于 HY。与 put3^HY不同，put3^comp对 PQ 敏感，且 put3^HY的生长发育受阻表型在这些株系中消失。在多胺浓度方面，put3^comp幼苗地上部分的总多胺水平在两个株系中降低，Put 水平接近野生型，Spd 水平仍较高，Spm 水平与野生型相似。成熟未抛光种子中，put3^comp的 Spm 积累减少，更接近野生型水平。

研究结论与讨论

这项研究表明，下调 PUT3 基因表达可使水稻获得 PQ 抗性，但 PUT3 基因的破坏对水稻组织中的多胺谱有显著影响。在种子萌发过程中，put3 突变体种子中 Spm 的增加破坏了多胺稳态，可能是导致发芽率降低的原因。在 put3^HY中，地上部分 Put 和 Spd 的增加，尤其是 Put 的增加，可能是导致幼苗生长严重受阻的重要因素。不同水稻品种对 PUT3 基因破坏的反应不同，反映了 PUT3 基因在不同水稻品种中的相对重要性存在差异。此外，研究还发现 PUT3 基因的破坏对水稻的维生素 B₁谱没有影响，这与拟南芥中 PUT3 参与维生素 B₁长途运输的情况不同，体现了物种间的差异。

该研究的重要意义在于，为作物抗 PQ 育种提供了重要的理论依据。它警示人们，在利用 PUT 基因家族培育抗 PQ 作物时，需要谨慎考虑其对多胺和维生素 B₁运输的影响，因为这可能会对作物的农艺性状如产量和抗逆性产生负面影响。同时，研究也为后续筛选具有 PQ 抗性且无适应性代价的水稻品种指明了方向，例如通过大规模筛选和基因编辑技术，寻找不影响农艺性状的 PQ 抗性机制和转运蛋白，有望培育出既抗 PQ 又能保证产量的优良水稻品种，为农业生产的可持续发展贡献力量。