農(nóng)學(xué)院周艷虹教授課題組在番茄低溫抗性調(diào)控方面取得新進展
低溫冷害作為一種全球性自然災(zāi)害，會引起植物細胞結(jié)構(gòu)和組織發(fā)生變化，造成植物生理生化代謝紊亂，進而抑制植物正常的生長發(fā)育，引發(fā)葉片產(chǎn)生斑點、落花落果嚴重，嚴重情況下造成植株萎蔫死亡。番茄（Solanum lycopersicum L.）作為我國設(shè)施栽培的主栽蔬菜作物之一，是一種喜溫性蔬菜作物，冬春季節(jié)頻繁出現(xiàn)的低溫冷害天氣極大地限制了其產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，研究番茄對低溫信號的應(yīng)答及其調(diào)控機制具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。
在長期的進化過程中，植物形成了復(fù)雜的信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)對低溫脅迫，其中包括植物激素、轉(zhuǎn)錄因子、表觀遺傳修飾等因素的共同調(diào)控。NAC轉(zhuǎn)錄因子作為植物中一類特有的轉(zhuǎn)錄因子，在不同物種中較為保守的受到miR164的轉(zhuǎn)錄后修飾，并在植物的生長發(fā)育和非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。然而，miR164a-NAC模塊在植物低溫抗性中的精細調(diào)控作用尚不清楚。
近日，浙江大學(xué)周艷虹教授課題組在The Plant Journal上在線發(fā)表了題為“The miR164a-NAM3 module confers cold tolerance by inducing ethylene production in tomato”的研究論文，報道了miR164a-NAM3模塊通過誘導(dǎo)植物激素乙烯的生物合成來正調(diào)控番茄植株的低溫抗性。
該研究通過生物信息學(xué)分析和生理學(xué)分析篩選出受Sl-miR164a/b-5p靶向抑制且受低溫顯著誘導(dǎo)的SlNAM3，進一步通過遺傳轉(zhuǎn)化手段獲得了純合的SlNAM3基因編輯突變體(nam3)、SlNAM3過表達植株(OE-NAM3)和Sl-miR164a/b-5p沉默植株(STTM164a/b-5p)。通過檢測上述材料的低溫抗性發(fā)現(xiàn)，與野生型植株相比，OE-NAM3和STTM164a/b-5p植株低溫抗性顯著提高，相反，nam3低溫抗性顯著減弱。此外，作者研究發(fā)現(xiàn)無論在野生型植株還是在STTM164a/b-5p植株中，沉默SlNAM3均導(dǎo)致番茄植株低溫抗性出現(xiàn)相同程度的顯著減弱，表明Sl-miR164a/b-5p和SlNAM3分別負調(diào)控和正調(diào)控番茄植株低溫抗性，并且SlNAM3位于Sl-miR164a/b-5p的下游共同調(diào)控低溫抗性。
miR164a-NAM3模塊通過誘導(dǎo)乙烯合成提高番茄低溫抗性模式圖
進一步研究表明，Sl-miR164a/b-5p和SlNAM3在乙烯的生物合成中分別發(fā)揮負調(diào)控和正調(diào)控作用。同時，外源ACC處理能夠有效緩解低溫對nam3的脅迫程度，表明植物激素乙烯介導(dǎo)了miR164a-NAM3模塊調(diào)控的番茄低溫抗性。隨后，作者利用CHIP、EMSA、煙草雙熒光素酶實驗證實了SlNAM3能夠直接結(jié)合在SlACS1A、SlACS1B、SlACO1、SlACO4等乙烯合成基因的啟動子上并激活其轉(zhuǎn)錄，以誘導(dǎo)乙烯的生物合成來提高番茄植株的低溫抗性。該研究不僅為理解植物響應(yīng)低溫脅迫的應(yīng)答機制奠定了基礎(chǔ)，并為生產(chǎn)中利用基因編輯、植物生長調(diào)節(jié)劑等手段提高番茄等喜溫作物的低溫抗性提供科學(xué)依據(jù)。
浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院董宇飛為該論文的第一作者，周艷虹教授為通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
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