OsNCED1是一种叶绿体ABA生物合成酶，能够调节水稻对多种非生物胁迫的耐受性

《Plant Science》：OsNCED1, a chloroplast ABA biosynthase, regulates multiple abiotic stress tolerance in rice

水稻OsNCED1基因通过维持ABA稳态和清除ROS增强冷、盐、渗透胁迫耐受性，突变体osnced1在胁迫中更敏感，过表达OsNCED1显著提升耐受性，分子机制涉及ABA信号通路基因表达调控。该基因可作为分子育种提高水稻多胁迫耐受性的潜在目标。

　　

向志潘|卢敏峰|姚旭贤|张明泽|张振东|陈松梅|潘西山|傅慧洲|张琳

中国黔南民族师范学院生物科学与农业学院，都匀558000

摘要

脱落酸（ABA）是植物中最关键的应激激素之一，然而其生物合成途径在调节多种非生物胁迫耐受性方面的机制仍不甚明了。在本研究中，我们确定了9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶1（OsNCED1）在调节水稻（Oryza sativa L.）对多种非生物胁迫（寒冷、盐分和渗透胁迫）耐受性中的功能。OsNCED1是一种位于叶绿体中的ABA合成酶，其表达会因多种非生物胁迫而显著增强。敲除OsNCED1会显著降低水稻幼苗对寒冷、盐分和渗透胁迫的耐受性，而外源ABA的应用可以恢复osnced1突变体的胁迫敏感性。过表达OsNCED1则显著提高了对多种胁迫的耐受性。生理分析表明，OsNCED1通过维持ABA平衡和清除活性氧（ROS）来介导胁迫耐受性。潜在的分子机制表明，OsNCED1通过改变突变体和过表达植物中ABA信号通路相关基因的表达来调节胁迫耐受性。综上所述，OsNCED1是胁迫耐受性的正向调节因子，通过分子育种策略有望成为提高水稻幼苗多重非生物胁迫耐受性的目标基因。

引言

作为最重要的全球粮食作物之一，水稻经常因极端温度、干旱和盐分胁迫而减产（Ganie等人，2024年；Sharma等人，2013年）。在极端环境胁迫下，植物生长受到显著抑制（Mareri等人，2022年）。低温胁迫会抑制光合作用，导致叶片黄化和根系发育受损（Zhu，2016年；Nagel等人，2009年）。同样，干旱胁迫会抑制光合作用并引起气孔关闭（Chaves等人，2009年；Flexas等人，2004年）。盐分胁迫通过渗透失衡和Na⁺毒性破坏离子平衡，导致活性氧（ROS）过度积累和膜损伤（Deinlein等人，2014年）。多种胁迫（如盐-干旱）的复合效应尤其严重（Zandalinas等人，2020年）。因此，提高植物的胁迫耐受性对于确保粮食生产稳定至关重要。

植物进化出了多层次的应激响应机制，包括渗透调节、离子平衡、抗氧化防御和激素信号传导（Jiang等人，2025年）。在胁迫条件下，植物会积累脯氨酸、可溶性糖和其他渗透调节物质以维持细胞水分平衡（Renzetti等人，2024年；Li等人，2024a）。在NaCl胁迫下，盐过敏感（SOS）途径有助于排除过量的Na⁺（Martínez-Atienza等人，2007年；El Mahi等人，2019年），而高亲和力钾转运蛋白（HKTs）则限制Na⁺向地上部分的转运（Wang等人，2020年）。植物的抗氧化防御系统，包括过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD），可以清除ROS以减轻氧化损伤（Alscher等人，2002年；Mittler等人，2004年）。此外，植物还可以通过激素信号进行响应，其中脱落酸（ABA）作为主要的应激激素，在多种胁迫响应中起关键作用（Waadt等人，2022年）。ABA通过调节气孔关闭减少水分损失，并与乙烯协同作用来调节胁迫响应（Khan，2025a；Liu等人，2024年）。因此，适度提高植物中的ABA水平对于增强胁迫耐受性至关重要。

在高等植物中，ABA的生物合成主要通过一条涉及多种酶的间接途径进行，其中9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCED）是调节内源性ABA平衡的关键限速酶（Chen等人，2020a）。在植物中，NCED作为一个家族存在，由多个9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCED）基因编码（Seo和Koshiba，2002年）。第一个NCED（VP14）是通过玉米突变体发现的（Tan等人，1997年；Schwartz等人，1997年）。近年来，已在多种植物物种中研究了NCED家族，包括拟南芥（Tan等人，2003年）、水稻（Zhu等人，2009年）、粟米（Huang等人，2023年）、大麦（Omari Alzahrani，2024年）和大豆（Islam等人，2025年）。水稻的NCED家族包含五个成员（OsNCED1-5），它们在生长、发育和胁迫响应中发挥关键作用。OsNCED1在幼苗和生殖阶段赋予耐热性（Zhang等人，2022年；Zhou等人，2022年）。OsNCED2中的一个非同义突变（OsNCED2^T）在干旱条件下提高了水稻产量（Huang等人，2024年）。OsNCED3调节干旱和盐分胁迫耐受性（Huang等人，2018年；Xu等人，2025年）。OsNCED3基因的突变增加了赤霉素（GA）/ABA的比例，显著促进了幼苗生长并导致收获前发芽（Huang等人，2018年；Chen等人，2023年）。有趣的是，OsNCED3还参与了对褐飞虱的抗性（Sun等人，2022年；Li等人，2024b）。OsNCED4和OsNCED5通过ROS和ABA平衡赋予对NaCl、寒冷和干旱胁迫的耐受性（Huang等人，2019年；Xiang等人，2024年；Xiang等人，2025年）。在先前的研究中，我们发现OsNCED1、OsNCED4和OsNCED5的表达在寒冷胁迫下显著增强，且OsNCED1基因的转录水平在寒冷胁迫1小时后最高，表明它对寒冷胁迫反应迅速（Xiang等人，2025年）。然而，OsNCED1在响应寒冷或其他非生物胁迫中的真实功能和潜在分子机制仍不清楚。

在本研究中，我们确定了OsNCED1在调节对寒冷（4°C）、盐分（150 mM NaCl）和渗透（20% PEG6000）胁迫耐受性中的功能。OsNCED1是一种位于叶绿体中的关键ABA合成酶，其表达在寒冷、盐分和渗透胁迫下显著增强。OsNCED1通过维持ROS和ABA平衡以及影响ABA信号通路相关基因的表达来正向调节多重胁迫耐受性。我们的发现表明OsNCED1是提高多重胁迫耐受性的潜在目标基因，可用于分子育种。

植物材料

使用CRISPR/Cas9基因组编辑系统，在japonica水稻（Oryza sativa L. ssp. japonica）Nipponbare和indica水稻（Oryza sativa L. ssp. indica）6-23背景下生成了osnced1突变体。基于NCBI BLAST分析（https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi），选择了一个20-bp的目标间隔序列（CAACACGTTCATCGACCCGCCGG，其中NGG结构已突出显示）。双链间隔序列根据先前的方法插入到pOsU6-sgRNA载体中（Ma等人

OsNCED1是一种位于叶绿体中的ABA合成酶

在水稻中，已鉴定出五个NCED基因（OsNCED1-5），其中OsNCED1、OsNCED3和OsNCED4分别位于第2、3和7号染色体上，而OsNCED2和OsNCED5都聚集在第12号染色体上（图1A）。单子叶植物（水稻和玉米）和双子叶植物（拟南芥和烟草）的NCED蛋白的系统发育分析显示，OsNCED1与OsNCED2和NtNCED4的序列相似性最高（图1B），这表明它们在非生物胁迫中可能存在功能趋同

讨论

非生物胁迫耐受性在确保植物在波动环境条件下的生长和生存中起着关键作用（Khan等人，2025b）。在水稻中，已鉴定出多种信号通路来调节非生物胁迫响应。具体而言，ABA途径中的SnRK2激酶介导渗透和盐分胁迫耐受性（Fujii等人，2011年；Takahashi等人，2020年），而生长素响应因子（ARFs）通过调节根系生长来调节盐分和干旱耐受性（Galvan-Ampudia

未引用的参考文献

（Chao等人，（2021年）

资助

本工作得到了黔南民族师范学院高层次人才引进项目的支持（项目编号：qnsyrc2022013）。

CRediT作者贡献声明

姚旭贤：软件、资源、方法论、研究。 张明泽：可视化、验证、方法论、形式分析。 向志潘：写作——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、资金获取、数据管理。 卢敏峰：可视化、验证、软件、数据管理。 傅慧洲：软件、方法论、研究。 张琳：写作——审稿与编辑、可视化、验证、概念化。 潘西山：软件

利益冲突声明

作者声明他们在本论文中没有已知的利益冲突。