Hortic Res | 北京林业大学钮世辉课题组在针叶树多重胁迫响应整合机制方面取得新进展

2023年6月，Horticulture Research 在线发表了北京林业大学钮世辉课题组题为An ethylene-induced NAC transcription factor acts as a multiple abiotic stress responsor in conifer 研究论文。解析了以PtNAC3 为核心的针叶树非生物胁迫响应通路整合机制，发现乙烯在上述通路中发挥了重要作用。异源超表达PtNAC3 不仅能增强转基因植物对多重非生物胁迫的协同抗性，同时还打破了生长与抗性间的平衡，通过缩短童期，促进植物在逆境下的种子产量，为树木与作物抗性育种提供了重要候选基因资源。

本研究通过对不同常见非生物胁迫下油松幼苗的差异表达基因筛选，发现不同胁迫响应有着特异的表达谱，但有32个基因受五种常见非生物胁迫的诱导，16个基因被抑制。其中，PtNAC3是激活明显著、表达量最高的转录因子。对PtNAC3的表达模式进行详细分析，证实其表达明显受多种非生物胁迫的诱导。在年周期数据中，PtNAC3 仅在冬季明显表达，其它季节表达不明显，这可能是由于在自然生长环境下，冬季的寒冷干燥对于树木仍然是一种严峻的胁迫，也表明PtNAC3对油松适应冬季的非生物胁迫至关重要。有趣的是，在所有受诱导基因中，PtZFP30的表达模式和PtNAC3十分相似，表明两者可能存在协同作用关系。对PtNAC3的蛋白序列进行系统发育分析和结构域分析发现，PtNAC3属于SNAC转录因子亚家族，这一亚家族的转录因子功能都和非生物胁迫相关。通过多重比对发现PtNAC3的DNA结合结构域十分保守，表明其结合靶位点同样可能是保守的。亚细胞定位分析显示，PtNAC3与PtZFP30都主要定位细胞核中。而酵母自激活实验发现，PtNAC3有转录激活能力，是转录激活子。通过酵母单杂、双荧光素酶系统、EMSA实验证实PtNAC3可以直接结合PtZFP30的启动子元件，CUT&Tag实验证实PtNAC3可以在油松本体内结合PtZFP30的启动子，激活其表达（图1）。众多研究表明，激素在植物非生物胁迫响应中发挥了重要的作用，通过系统筛选多种植物生长调节剂处理下油松幼苗中PtNAC3和PtZFP30的表达模式，发现上述模块仅受乙烯前体ACC和茉莉酸的诱导（但其中茉莉酸处理可能引起了超剂量胁迫）。由于PtNAC3的对盐胁迫响应最明显，因此测定了盐胁迫下油松内源激素水平，发现盐胁迫下各种测试基因中，仅乙烯前体ACC的含量极显著增加。时间序列分析表明，ACC处理8 h后PtNAC3的表达量就出现明显差异，且48 h后差异依然显著。而PtZFP30的表达模式与PtNAC3呈现明显的相关性。既然PtNAC3受多重胁迫响应（同样受生物胁迫诱导），表明其有可能可以作为工具基因，增加转基因植物多种胁迫的应用潜力。通过在拟南芥中过表达PtNAC3，发现转基因植物对多种非生物胁迫的抗性均明显增强，且在不影响生长情况下，生活史明显缩短，尤其是在逆境条件下显著提升了种子产量（图2），表明其可以作为树木与作物抗性育种重要候选基因资源。

北京林业大学林木遗传育种专业博士韩方旭与博士研究生王佩毅为共同一作，钮世辉教授和郭美娜副教授为共同通讯作者，博士研究生陈曦、宋依桐，硕士研究生赵欢欢、朱茜雅、聂雨萌参与了部分实验工作，李悦教授为文章的实验设计和写作提供了指导。本研究由中央高校基本业务费支持（BLX202217、2021BLRD22）。

文章链接：

‍https://doi.org/10.1093/hr/uhad130

转自：“园艺研究”微信公众号

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