OsFLN2基因敲除通过降低水稻叶片水分状况与光合性能削弱干旱适应性机制研究

本研究针对水稻干旱胁迫响应机制，通过CRISPR基因编辑技术构建OsFLN2敲除突变体，系统揭示了该基因缺失导致叶绿体基因转录抑制（PsaA、RbcL等）、羧化效率下降及光系统II光化学效率受损的分子生理机制，为作物抗逆育种提供了关键靶点。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱胁迫已成为制约农作物产量的主要环境因素。植物通过复杂的生理与分子机制应对水分短缺，其中叶绿体作为能量转换的核心场所，其基因表达调控在环境适应性中起决定性作用。水稻作为全球半数人口的主粮作物，解析其抗旱机制具有重要战略意义。然而，目前关于叶绿体基因转录调控因子在干旱响应中的具体功能仍存在研究空白。

在这项发表于《BMC Plant Biology》的研究中，巴西农业研究所Contiliani等学者聚焦于水稻FRUCTOKINASE-LIKE 2（OsFLN2）基因的功能解析。该基因编码的蛋白是叶绿体编码RNA聚合酶（PEP）复合体的关键组分，此前研究表明其与热胁迫和盐胁迫响应相关，但对干旱胁迫下的生理机制尚未明确。研究人员通过构建非转基因CRISPR敲除突变体，首次系统揭示了OsFLN2缺失对水稻干旱适应性的负面影响。

研究采用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建Osfln2纯合突变体，通过T7E1酶切检测和Sanger测序验证突变效率，并利用三代分离获得无转基因成分的突变株系。在严格控制的环境条件下，对57日龄水稻进行渐进式干旱处理（8天胁迫+4天复水），采用土壤水分监测系统精确控制水分梯度。通过实时荧光定量PCR分析叶绿体基因表达，结合压力室技术测定叶片水势，使用LI-6400光合仪同步获取气体交换参数（包括净光合速率A_n、气孔导度g_s、胞间CO₂浓度C_i等），并通过调制式荧光仪测量光系统II最大量子产量（F_v/F_m）、电子传递速率（ETR）及光化学淬灭（qP）等参数。

基因编辑与表型分析

研究人员利用CRISPR-Cas9技术成功获得Osfln2#16纯合突变体，该突变体在幼苗期呈现白化表型，但成熟期叶绿素含量恢复正常。基因表达分析发现，突变体中PsaA（光系统I核心蛋白编码基因）在正常条件下即显著下调，干旱胁迫后PsaA和RbcL（Rubisco大亚基编码基因）表达进一步抑制。

水分关系特性

尽管突变体与野生型（WT）叶片水势（Ψ）在干旱胁迫下无显著差异，但Osfln2植株的相对含水量（RWC）显著高于WT，表明其具有更强的水分保持能力。这种特性可能与突变体提前启动气孔关闭的适应性策略有关。

光合性能损伤

干旱胁迫第4天起，突变体的光合速率（A_n）、气孔导度（g_s）和蒸腾速率（E）即显著下降，而WT直到第6天才出现变化。在最大干旱胁迫时，突变体光合速率较WT降低50%，且伴随胞间CO₂浓度（C_i）异常升高，提示非气孔限制因素主导光合抑制。

碳同化与能量转换效率

突变体的羧化效率（k=A_n/C_i）和水分利用效率（WUE=A_n/E）在干旱后期显著低于WT，降幅分别达62%和43%。荧光参数分析显示突变体的光系统II有效量子产量（Φ_PSII）、电子传递速率（ETR）和光化学淬灭（qP）均显著受损，而非光化学淬灭（NPQ）无变化，表明光能捕获与转化效率降低。

本研究证实OsFLN2通过调控PEP依赖的叶绿体基因转录（尤其是RbcL和PsaA），在水稻干旱应答中发挥核心作用。突变体虽能通过渗透调节维持组织含水量，但因其光合机构发育缺陷和转录响应能力受损，导致碳同化效率下降和光能转化失衡。该研究不仅揭示了OsFLN2在植物干旱适应中的新功能，还为作物抗逆品种改良提供了分子靶点——通过维持叶绿体基因转录稳态以增强光合性能的干旱适应性策略。