PtrERF9-PtrGSTU17/PtrACS1模塊參與枳低溫應(yīng)答作用圖（Zhang et al, Plant Biotechnol J, 2021）
PtrERF109-PtrRafS模塊參與枳低溫應(yīng)答作用圖（Khan et al, Plant J, 2021）
近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室柑橘逆境生物學(xué)與栽培團(tuán)隊(duì)接連在國(guó)際植物學(xué)期刊Plant Biotechnology Journal與Plant Journal 發(fā)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(guó)南方第一大水果產(chǎn)業(yè)，在鄉(xiāng)村振興和共同富裕等國(guó)家重大戰(zhàn)略中發(fā)揮重要作用。高海拔地區(qū)的低溫及冬春季寒潮是影響柑橘產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要自然災(zāi)害。在低溫環(huán)境中，植物體內(nèi)會(huì)誘發(fā)一系列的分子調(diào)節(jié)機(jī)制以應(yīng)對(duì)凍害脅迫。其中，激素信號(hào)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控在植物低溫應(yīng)答中占據(jù)重要地位，對(duì)柑橘抗寒關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的挖掘和作用機(jī)制的解析，可以豐富低溫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為柑橘抗寒遺傳改良和創(chuàng)新育種提供優(yōu)質(zhì)基因資源。課題組在前期構(gòu)建柑橘抗寒砧木資源枳低溫表達(dá)譜的基礎(chǔ)上，篩選到了兩個(gè)重要的乙烯和低溫響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子ERF9和ERF108，并圍繞兩者開展了后續(xù)研究。
乙烯是一種重要的激素，在植物非生物脅迫應(yīng)答中占據(jù)重要地位，但其在柑橘低溫脅迫應(yīng)答中的作用尚未可知。該團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果顯示施加乙烯前體ACC及其前體抑制劑AVG可分別增強(qiáng)和減弱柑橘砧木枳耐寒能力，表明乙烯可以正向調(diào)控枳抗寒性。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，PtrERF9可受乙烯和低溫誘導(dǎo)，AVG處理可削弱其在低溫下的表達(dá)量，這表明PtrERF9低溫響應(yīng)依賴于乙烯調(diào)控通路。利用遺傳轉(zhuǎn)化方法超表達(dá)和沉默該基因證明其正向調(diào)控植物抗寒性，分子機(jī)制研究表明PtrERF9通過調(diào)控下游靶基因谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶PtrGSTU17和植物體內(nèi)ROS穩(wěn)態(tài)，從而在枳抗寒過程中發(fā)揮作用。此外，研究還發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)錄因子可靶向調(diào)節(jié)枳中ACC合成酶基因PtrACS1，進(jìn)而增加冷脅迫下乙烯生物合成，形成正向反饋調(diào)節(jié)環(huán)，而低溫敏感品種檸檬中不存在該反饋調(diào)節(jié)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(yīng)低溫的分子機(jī)制和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，PtrERF9-PtrACS1模塊為低溫脅迫中乙烯生物合成的轉(zhuǎn)錄機(jī)制提供了新的見解，同時(shí)另一項(xiàng)研究表明，PtrERF108是一個(gè)典型的AP2/ERF類轉(zhuǎn)錄因子，其表達(dá)受低溫強(qiáng)烈誘導(dǎo)。在檸檬中超表達(dá)PtrERF108可增強(qiáng)植物抗寒性，而干涉該基因則使枳對(duì)低溫更敏感，表明該轉(zhuǎn)錄因子在柑橘抗寒中發(fā)揮積極作用。進(jìn)一步分析顯示，PtrERF108可直接調(diào)控下游棉子糖合酶靶基因PtrRafS表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控植株體內(nèi)RafS的活性和棉子糖含量，以此增強(qiáng)枳抗寒性（Khan et al, Plant J, 2021）。“ERF109-RafS”模塊豐富了低溫轉(zhuǎn)錄調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)，為植物抗寒相關(guān)研究提供了重要參考。以上研究為植物激素乙烯及下游轉(zhuǎn)錄因子參與枳抗寒性提供新的分子機(jī)制，同時(shí)PtrERF9-PtrGSTU17/PtrACS1和PtrERF109-PtrRafS模塊對(duì)下游靶基因及植物代謝通路調(diào)控解析豐富了柑橘抗寒應(yīng)答分子網(wǎng)絡(luò)，為闡明柑橘不同抗性資源低溫應(yīng)答差異的分子機(jī)制和培育抗寒優(yōu)質(zhì)新品種奠定了基礎(chǔ)。
劉繼紅教授帶領(lǐng)的柑橘逆境生物學(xué)與栽培團(tuán)隊(duì)從事柑橘逆境研究十余年，近年來在柑橘逆境應(yīng)答分子調(diào)控研究中取得一系列成果，形成了較為系統(tǒng)的柑橘逆境應(yīng)答調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，豐富和拓展了植物逆境生物學(xué)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
