水稻醛酮还原酶基因OsKOB1通过协调ABA稳态与抗氧化防御维持渗透胁迫下种子活力的分子机制

本研究针对水稻种子萌发对盐旱胁迫高度敏感的问题，揭示了醛酮还原酶(AKR)家族成员OsKOB1通过调控脱落酸(ABA)稳态和抗氧化防御系统增强种子活力的新机制。研究人员通过CRISPR/Cas9基因编辑和过表达技术，证实OsKOB1通过下调ABA积累、提升超氧化物歧化酶(SOD)/过氧化物酶(POD)活性和脯氨酸合成，显著改善种子在100 mmol·L-1 NaCl和20% PEG 6000胁迫下的萌发率(GR)和活力指数(VI)。该发现为作物抗逆育种提供了新靶点，发表于《Scientific Reports》。

　　

在全球约20%耕地遭受盐渍化和干旱威胁的背景下，水稻作为养活半数人口的主粮作物，其种子萌发阶段对渗透胁迫异常敏感。高盐和干旱会破坏线粒体电子传递链，导致活性氧(ROS)爆发和脂质过氧化产物丙二醛(MDA)积累，最终抑制胚根伸长和萌发潜力(GP)。尽管醛酮还原酶(AKR)超家族在植物胁迫响应中具有解毒功能，但其调控种子渗透胁迫适应的分子机制仍是未解之谜。

湖南师范大学生命科学学院的研究团队在《Scientific Reports》发表重要成果，发现水稻AKR基因OsKOB1通过"双轨制"调控机制——既抑制ABA信号转导又激活抗氧化防御，显著提升种子抗逆性。研究采用启动子顺式元件分析、组织特异性GUS染色、基因编辑突变体构建等技术，结合生理指标检测和互作基因网络解析，首次阐明OsKOB1通过协调OsPER1等互作伙伴的表达，动态调控渗透保护物质合成和氧化还原平衡的分子途径。

关键技术方法包括：1) 对8个水稻品种进行梯度渗透胁迫处理，筛选耐逆种质并检测OsKOB1表达模式；2) 利用CRISPR/Cas9构建oskob1突变体，通过pCAMBIA1390载体构建过表达株系；3) 采用ELISA和比色法测定ABA、MDA、脯氨酸含量及SOD/POD活性；4) 通过酵母双杂交筛选互作蛋白并验证共表达关系。

Bioinformatic analysis of OsKOB1
生物信息学分析显示OsKOB1编码328个氨基酸的AKR家族蛋白，其启动子含有35个ABA响应元件(ABRE)和12个脱水响应元件(ACGTATERD1)。三级结构预测显示典型的TIM桶状结构，与茶花AKR(QEV83952.1)进化关系最近，暗示其在胁迫响应中的保守功能。

The difference of seed germination response
对9311、YHSM等8个品种的萌发测试发现，耐盐品种在100 mmol·L^-1 NaCl处理下萌发率(GR)下降<15%，而敏感品种降低40%。OsKOB1表达量与品种耐逆性无直接相关性，表明其功能发挥可能依赖翻译后修饰。

OsKOB1 mutation was not conducive to germination
基因编辑突变体oskob1-1/2在盐胁迫下活力指数(VI)降至野生型(WT)的1/4，过表达株系则维持与WT相当的萌发潜力(GP)。组织特异性GUS染色证实OsKOB1在胚和幼根中高表达，其表达峰值在盐/旱胁迫后分别出现在8h和24h。

OsKOB1 mutation increased endogenous ABA
突变体在胁迫第3天ABA含量较WT升高50.3%，且对外源ABA敏感性增强，萌发抑制率提高25%，揭示OsKOB1通过负反馈调节ABA合成通路缓解萌发抑制。

OsKOB1 mutation increased MDA accumulation
渗透胁迫7天后，突变体MDA含量达WT的3.7倍，而过表达株系降低20%，证实OsKOB1通过清除脂质过氧化产物维持膜完整性。

OsKOB1 mutation decreased antioxidant enzyme activity
突变体SOD/POD活性仅为WT的62.1%-90.9%，但过氧化氢酶(CAT)活性不受影响，表明OsKOB1特异性调控SOD/POD介导的ROS清除途径。

OsKOB1 May reduce osmotic stress tolerance
脯氨酸含量检测显示突变体比WT降低27.8%，而过表达株系提高25.3%，但可溶性糖和Na⁺/K⁺平衡无显著差异，说明OsKOB1选择性激活脯氨酸合成通路。

研究结论指出，OsKOB1通过三重机制增强种子活力：1) 抑制ABA积累解除萌发抑制；2) 提升SOD/POD活性清除ROS；3) 促进脯氨酸合成维持渗透平衡。该发现不仅拓展了对AKR家族多功能性的认知，更为分子设计育种提供了新策略——通过构建胚特异性启动子驱动的OsKOB1表达载体，有望培育出苗期抗逆性显著提升的水稻新品种。值得注意的是，OsKOB1与过氧化物酶OsPER1的协同表达模式，暗示植物可能存在AKR-PER偶联的抗氧化防御新通路，这为后续研究指明了方向。