PtrERF9-PtrGSTU17/PtrACS1模塊參與枳低溫應答作用圖（Zhang et al, Plant Biotechnol J, 2021）
PtrERF109-PtrRafS模塊參與枳低溫應答作用圖（Khan et al, Plant J, 2021）
近日，華中農業大學園藝植物生物學教育部重點實驗室柑橘逆境生物學與栽培團隊接連在國際植物學期刊Plant Biotechnology Journal與Plant Journal 發表研究論文。題目分別為“ERF9 of Poncirus trifoliata （L.） Raf. undergoes feedback regulation by ethylene and modulates cold tolerance through regulating a glutathione S-transferase U17 gene”（第一作者為博士研究生張楊）和 “ERF108 from Poncirus trifoliata （L.） Raf. functions in cold tolerance by modulating raffinose synthesis through transcriptional regulation of PtrRafS”（第一作者為博士研究生Madiha khan），劉繼紅教授和李春龍教授為兩篇論文的共同通訊作者。
柑橘是我國南方第一大水果產業，在鄉村振興和共同富裕等國家重大戰略中發揮重要作用。高海拔地區的低溫及冬春季寒潮是影響柑橘產業發展的主要自然災害。在低溫環境中，植物體內會誘發一系列的分子調節機制以應對凍害脅迫。其中，激素信號和轉錄調控在植物低溫應答中占據重要地位，對柑橘抗寒關鍵轉錄因子的挖掘和作用機制的解析，可以豐富低溫調控網絡，為柑橘抗寒遺傳改良和創新育種提供優質基因資源。課題組在前期構建柑橘抗寒砧木資源枳低溫表達譜的基礎上，篩選到了兩個重要的乙烯和低溫響應轉錄因子ERF9和ERF108，并圍繞兩者開展了后續研究。
乙烯是一種重要的激素，在植物非生物脅迫應答中占據重要地位，但其在柑橘低溫脅迫應答中的作用尚未可知。該團隊研究結果顯示施加乙烯前體ACC及其前體抑制劑AVG可分別增強和減弱柑橘砧木枳耐寒能力，表明乙烯可以正向調控枳抗寒性。進一步的研究發現，PtrERF9可受乙烯和低溫誘導，AVG處理可削弱其在低溫下的表達量，這表明PtrERF9低溫響應依賴于乙烯調控通路。利用遺傳轉化方法超表達和沉默該基因證明其正向調控植物抗寒性，分子機制研究表明PtrERF9通過調控下游靶基因谷胱甘肽S-轉移酶PtrGSTU17和植物體內ROS穩態，從而在枳抗寒過程中發揮作用。此外，研究還發現該轉錄因子可靶向調節枳中ACC合成酶基因PtrACS1，進而增加冷脅迫下乙烯生物合成，形成正向反饋調節環，而低溫敏感品種檸檬中不存在該反饋調節途徑（Zhang et al, Plant Biotechnol J, 2021）。以上研究中，ERF9-GSTU17模塊揭示了植物GST酶響應低溫的分子機制和轉錄調節網絡，PtrERF9-PtrACS1模塊為低溫脅迫中乙烯生物合成的轉錄機制提供了新的見解，同時另一項研究表明，PtrERF108是一個典型的AP2/ERF類轉錄因子，其表達受低溫強烈誘導。在檸檬中超表達PtrERF108可增強植物抗寒性，而干涉該基因則使枳對低溫更敏感，表明該轉錄因子在柑橘抗寒中發揮積極作用。進一步分析顯示，PtrERF108可直接調控下游棉子糖合酶靶基因PtrRafS表達，進而調控植株體內RafS的活性和棉子糖含量，以此增強枳抗寒性（Khan et al, Plant J, 2021）。“ERF109-RafS”模塊豐富了低溫轉錄調控分子網絡，為植物抗寒相關研究提供了重要參考。以上研究為植物激素乙烯及下游轉錄因子參與枳抗寒性提供新的分子機制，同時PtrERF9-PtrGSTU17/PtrACS1和PtrERF109-PtrRafS模塊對下游靶基因及植物代謝通路調控解析豐富了柑橘抗寒應答分子網絡，為闡明柑橘不同抗性資源低溫應答差異的分子機制和培育抗寒優質新品種奠定了基礎。
劉繼紅教授帶領的柑橘逆境生物學與栽培團隊從事柑橘逆境研究十余年，近年來在柑橘逆境應答分子調控研究中取得一系列成果，形成了較為系統的柑橘逆境應答調控網絡，豐富和拓展了植物逆境生物學的理論研究。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13705
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15465
日期：2021-09-23
