光合同化产生的糖分为植物生长发育提供所需的碳和能量，同时发挥信号调节作用。但在一些逆境条件下，叶片内往往会出现糖分过度积累的现象。与人体糖尿病类似，高糖环境会产生糖衍生毒物，其中主要为甲基乙二醛 (Methylglyoxal, MG)，MG的积累会毒害细胞并诱导其他并发症。然而，关于植物糖尿病 (Plant Diabetes)的潜在机制以及相应的去毒化策略仍鲜有报道。

近日，国际知名学术期刊Journal of Experimental Botany在线发表了中国农业大学农学院周顺利课题组题为Exogenous Methylglyoxal Alleviates Drought-Induce “Plant Diabetes” and Leaf Senescence in Maize的研究论文，提出植物糖尿病参与调控干旱下的叶片衰老，通过外源MG喷施可以在高糖条件下提升糖酵解通量，从而且缓解植物糖尿病，最终实现延缓叶片衰老，减少干旱带来的产量损失。

研究团队在玉米籽粒灌浆期进行干旱处理，发现叶片中参与糖分韧皮部装载的糖转运蛋白基因(ZmSUT1, ZmSWEET13a/b/c)被抑制，导致叶片可溶性糖（包括葡萄糖、果糖、蔗糖）积累，植株中下部叶片提前枯黄衰老。在干旱条件下，采用叶面喷施外源MG，叶片中的糖分含量虽然仍维持在高水平，但是却延缓了叶片衰老，并提高了叶片光合能力（图2）。

图1 干旱下外源MG对玉米叶片衰老和光合能力的影响

图2 干旱下外源MG对叶片糖含量及糖分装载过程的影响

在高糖条件下，糖酵解代谢出现不平衡，导致细胞内源MG大量积累，并产生细胞毒害。外源MG虽然未缓解细胞内部糖积累，但提高了糖酵解代谢上下游的代谢通量，避免了内源MG合成与积累。并且，转录和蛋白水平分析发现外源MG促进了组织的MG清除系统活力(Glyoxalase system)，增加细胞自身去毒化能力（图3）。

图3 干旱下外源MG对糖酵解以及MG代谢过程的影响

该研究揭示了干旱导致的玉米叶片“高糖症”及其危害机制，以及外源MG缓解干旱胁迫下的MG毒害作用，维持叶片功能并减少产量损失，为应对干旱等非生物逆境胁迫提供了栽培技术途径和理论依据（图4）。

图4 外源MG调节叶片耐“高糖症”的生理机制模型

该研究硕士研究生林翊轩为第一作者，申思副教授和周顺利教授为通讯作者，梁效贵副教授以及研究生周亚宁、金雨卡、肖祖栋、张英俊、黄成、洪博和陈振原参与了该项研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系的资助。周顺利/申思课题组近些年围绕玉米籽粒发育（败育）调控机制、逆境致灾机制及抗逆栽培措施等方向取得了一系列进展，相关研究先后发表在Trends in Plant Science、The Plant Journal、Plant Cell and Environment、Journal of Experimental Botany等学术期刊上。

论文信息：https://academic.oup.com/jxb/advance-article-abstract/doi/10.1093/jxb/erad503/7485675

转自：“iPlants”微信公众号

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