華中農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹栽培團隊揭示柑橘干旱逆境應(yīng)答新機制

　　近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點實驗室果樹栽培團隊在Plant Physiology 上發(fā)表了題為 “ABF4 and ABR1 synergistically regulate amylase-mediated starch catabolism for drought tolerance” 的研究論文，報道了柑橘資源通過ABF4-ABR1轉(zhuǎn)錄調(diào)控模塊促進干旱環(huán)境下β-淀粉酶（BMA3）介導(dǎo)的淀粉降解、提高可溶性糖含量增強抗旱性的分子調(diào)控新通路。

 

　　柑橘是目前世界第一大產(chǎn)業(yè)果樹，也是世界第三大貿(mào)易類農(nóng)產(chǎn)品，其種植面積、產(chǎn)量以及進出口量均居各類水果之首。我國大部分柑橘產(chǎn)區(qū)處于南方丘陵地區(qū)，立地條件差、灌溉條件有限，并且伴隨著近年來全球氣溫升高和南方季節(jié)性缺水頻發(fā)，干旱成為制約柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)的重要逆境因子之一。因此，發(fā)掘干旱脅迫應(yīng)答功能基因和解析其分子調(diào)控通路對改良柑橘抗旱性有重要指導(dǎo)意義。

 

　　可溶性糖作為一種重要的滲透保護劑，在植物逆境環(huán)境適應(yīng)性中發(fā)揮重要作用，BAM介導(dǎo)的淀粉降解是快速提升植物體內(nèi)可溶性糖含量的重要路徑，但是關(guān)于BAM介導(dǎo)的淀粉降解是否響應(yīng)干旱環(huán)境及其分子調(diào)控機制目前仍不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)，脫水條件下枳體內(nèi)的淀粉含量降低、可溶性糖含量顯著升高，這一過程與BAM3基因的表達上調(diào)和淀粉酶活性上升緊密關(guān)聯(lián)。隨后通過轉(zhuǎn)基因方法獲得BAM3過表達和VIGS干涉材料，干旱處理結(jié)果表明BAM3通過促進淀粉降解和增加可溶性糖含量提高植物抗旱能力。進一步通過啟動子轉(zhuǎn)錄活性和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制分析表明，BAM3表達受干旱環(huán)境的明顯誘導(dǎo)，這一過程依賴于ABA信號通路的轉(zhuǎn)錄因子ABF4和ABR1。Y1H、EMSA、ChIP-PCR、LUC等實驗證明，ABF4和ABR1能分別特異性結(jié)合BAM3啟動子區(qū)域的ABRE和GCC-box元件并激活BAM3基因表達。有趣的是，ABF4同時能結(jié)合ABR1啟動子上的ABRE元件激活A(yù)BR1的表達，還能與ABR1在蛋白水平上互作，形成轉(zhuǎn)錄級聯(lián)放大信號和轉(zhuǎn)錄蛋白復(fù)合體ABF4-ABR1，協(xié)同促進干旱環(huán)境下BAM3介導(dǎo)的淀粉降解，有效增強植物抗旱性。綜上所述，本研究揭示了ABF4-ABR1-BAM3模塊在柑橘干旱脅迫應(yīng)答中的功能和分子調(diào)控機制，不僅為培育抗旱柑橘新種質(zhì)提供重要功能基因，也為柑橘水分利用與糖分代謝積累調(diào)控提供重要參考。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院劉繼紅教授和李春龍教授為該論文的共同通訊作者，博士研究生張豫為該文第一作者。該研究得到國家重點研發(fā)項目（2018YFD100030）和國家自然科學(xué)基金（31772273）的資助。

 

　　英文摘要：

 

　　β-amylase （BAM）-mediated starch degradation is a main source of soluble sugars that help plants adapt to environmental stresses. Here, we demonstrate that dehydration-induced expression of PtrBAM3 in trifoliate orange （Poncirus trifoliata （L.） Raf.） functions positively in drought tolerance via modulation of starch catabolism. Two transcription factors, PtrABF4 （Poncirus trifoliata ABA-responsive element binding factor 4） and PtrABR1 （Poncirus trifoliata ABA repressor 1）， were identified as upstream transcriptional activators of PtrBAM3 through yeast one-hybrid library screening and protein-DNA interaction assays. Both PtrABF4 and PtrABR1 played a positive role in plant drought tolerance by modulating soluble sugar accumulation derived from BAM3-mediated starch decomposition. In addition, PtrABF4 could directly regulate PtrABR1 expression by binding to its promoter, leading to a regulatory cascade to reinforce the activation of PtrBAM3. Moreover, PtrABF4 physically interacted with PtrABR1 to form a protein complex that further promoted the transcriptional regulation of PtrBAM3. Taken together, our finding reveal that a transcriptional cascade composed of ABF4 and ABR1 works synergistically to up-regulate BAM3 expression and starch catabolism in response to drought condition. The results shed light on the understanding of the regulatory molecular mechanisms underlying BAM-mediated soluble sugar accumulation for rendering drought tolerance in plants.

 

　　論文鏈接：

 

　　https://academic.oup.com/plphys/advancearticle/doi/10.1093/plphys/kiac428/6697893?searchresult=1