本網訊 多倍體育種是作物育種過程中常用的方法之一，染色體加倍后通常表現出生物量增加（產量提高）且抗逆性增強的表型，但其背后的分子機制目前還不太清楚。近日，安徽農業大學園藝學院汪松虎教授和劉永勝教授團隊合作在國際著名的植物學期刊Plant Physiology上發表了題為“Chromosome doubling increases PECTIN METHYLESTERASE 2 expression, biomass, and osmotic stress tolerance in kiwifruit ”的研究論文，揭示了獼猴桃染色體加倍導致生物量增加且抗逆性增強的分子機制。
團隊前期利用秋水仙素處理將二倍體中華獼猴桃‘紅陽（Hongyong, HY）’培育成四倍體，四倍體HY表型出葉片增大，生物量增加的表型，本研究發現四倍體HY還表現出對滲透脅迫的抗性增強。轉錄組研究發現獼猴桃果膠去甲酯酶基因AcPME2在四倍體中表達量顯著提高，我們通過在擬南芥、番茄和獼猴桃中過量表達AcPME2，證實該基因的過表達不僅可以提高植株的生物量（其中轉基因番茄的果實也增大），而且增強其對滲透脅迫的抗性。對擬南芥和獼猴桃的深入研究發現，在正常情況下，AcPME2基因過表達導致細胞壁果膠的甲酯化水平降低，誘導細胞壁松弛（Cell wall loosening）和軟化，從而增加單個細胞的尺寸（Cell size），進而導致植株生物量的增加（圖2）；在滲透脅迫的條件下，AcPME2的去甲酯化活性進一步增強，過表達植株細胞壁果膠的甲酯化水平進一步降低，但由于滲透脅迫條件下鈣離子（Ca2+）在細胞壁中積累，去甲酯的果膠可以與Ca2+結合形成聚合體，增加細胞壁的硬度。細胞壁硬度的增加表現為根部細胞質壁分離（plasmolysis）的加快，并減少滲透脅迫導致的細胞壁塌陷（Cell wall collapse）。AcPME2過表達植株根部細胞的細胞壁硬度增加，導致細胞壁不能隨著原生質體在滲透脅迫條件下發生機械形變（內陷），從而增加細胞壁與原生質體之間的機械拉力，加速質壁分離的發生，且這種增強的機械拉力能更快地被根部細胞感知，從而誘導脅迫應答基因更快更高地表達。增強的細胞壁硬度即可以減少滲透脅迫對植株細胞的物理性傷害，同時又能誘導更早的脅迫應答基因的表達，從而提高了植株對滲透脅迫的抗性。
本研究發現AcPME2介導的果膠去甲酯化可以動態調控細胞壁的硬度，即在正常生長條件下降低細胞壁的硬度，促進細胞擴張從而導致生物量增加；但在滲透脅迫條件下，與Ca2+結合增加細胞壁的硬度，提高植株對脅迫的抗性（圖2）。這種動態調控細胞壁硬度的機制可以為同時提高作物產量和抗逆性的遺傳改良提供新的思路，AcPME2基因在作物育種過程中具有巨大的應用潛力。
安徽農業大學園藝學院博士后朱妍妍博士為論文的第一作者，劉永勝教授和汪松虎教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金區域聯合基金項目（U23A20204）和面上項目（32472703）等經費資助。
論文鏈接：
https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiae475/7754102
日期：2025-02-05
團隊前期利用秋水仙素處理將二倍體中華獼猴桃‘紅陽（Hongyong, HY）’培育成四倍體，四倍體HY表型出葉片增大，生物量增加的表型，本研究發現四倍體HY還表現出對滲透脅迫的抗性增強。轉錄組研究發現獼猴桃果膠去甲酯酶基因AcPME2在四倍體中表達量顯著提高，我們通過在擬南芥、番茄和獼猴桃中過量表達AcPME2，證實該基因的過表達不僅可以提高植株的生物量（其中轉基因番茄的果實也增大），而且增強其對滲透脅迫的抗性。對擬南芥和獼猴桃的深入研究發現，在正常情況下，AcPME2基因過表達導致細胞壁果膠的甲酯化水平降低，誘導細胞壁松弛（Cell wall loosening）和軟化，從而增加單個細胞的尺寸（Cell size），進而導致植株生物量的增加（圖2）；在滲透脅迫的條件下，AcPME2的去甲酯化活性進一步增強，過表達植株細胞壁果膠的甲酯化水平進一步降低，但由于滲透脅迫條件下鈣離子（Ca2+）在細胞壁中積累，去甲酯的果膠可以與Ca2+結合形成聚合體，增加細胞壁的硬度。細胞壁硬度的增加表現為根部細胞質壁分離（plasmolysis）的加快，并減少滲透脅迫導致的細胞壁塌陷（Cell wall collapse）。AcPME2過表達植株根部細胞的細胞壁硬度增加，導致細胞壁不能隨著原生質體在滲透脅迫條件下發生機械形變（內陷），從而增加細胞壁與原生質體之間的機械拉力，加速質壁分離的發生，且這種增強的機械拉力能更快地被根部細胞感知，從而誘導脅迫應答基因更快更高地表達。增強的細胞壁硬度即可以減少滲透脅迫對植株細胞的物理性傷害，同時又能誘導更早的脅迫應答基因的表達，從而提高了植株對滲透脅迫的抗性。
本研究發現AcPME2介導的果膠去甲酯化可以動態調控細胞壁的硬度，即在正常生長條件下降低細胞壁的硬度，促進細胞擴張從而導致生物量增加；但在滲透脅迫條件下，與Ca2+結合增加細胞壁的硬度，提高植株對脅迫的抗性（圖2）。這種動態調控細胞壁硬度的機制可以為同時提高作物產量和抗逆性的遺傳改良提供新的思路，AcPME2基因在作物育種過程中具有巨大的應用潛力。
安徽農業大學園藝學院博士后朱妍妍博士為論文的第一作者，劉永勝教授和汪松虎教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金區域聯合基金項目（U23A20204）和面上項目（32472703）等經費資助。
論文鏈接：
https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiae475/7754102
日期：2025-02-05
