PBJ | 西北农林管清美/徐记迪课题组揭示组蛋白去乙酰化酶MdHDA6调控苹果响应低温胁迫的分子机制

苹果是全球最重要的水果作物之一，营养丰富，经济价值高。低温威胁着苹果树的生长，特别是在开花期间影响坐果率，造成果实生产力的巨大损失。因此，揭示苹果植物响应低温胁迫的分子机制使我们能够利用调节机制进行作物改良。近日，西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室管清美/徐记迪课题组在国际知名期刊Plant Biotechnology Journal上发表了题为“Histone deacetylase MdHDA6 is an antagonist in regulation of transcription factor MdTCP15 to promote cold tolerance in apple”的研究论文，揭示了组蛋白去乙酰化酶MdHDA6在调控MdTCP15诱导的转录激活或抑制中起拮抗作用，以正向调控苹果耐寒性，揭示了MdHDA6-MdTCP15模块调控苹果响应低温胁迫的分子机制。

为了探究MdHDA6在苹果低温胁迫下的调控作用，本研究获得了MdHDA6过表达（MdHDA6-OE）和RNA干扰（MdHDA6-RNAi）苹果转基因系，并进行低温处理。结果显示MdHDA6-OE植株表现出更强的抗寒性，而沉默株系则更敏感（图1）。此外，MdHDA6通过介导活性氧的清除正调控苹果的耐寒性。RNA-seq结果显示MdHDA6调节低温相关基因的表达，参与苹果低温胁迫。

图1 低温处理后GL-3和MdHDA6转基因植株的表型

本研究中，作者发现MdHDA6在苹果中具有组蛋白去乙酰化活性。众所周知，组蛋白去乙酰化可以收紧染色质结构并最终抑制基因表达。因此作者选择了四个低温负调控因子（PRR5，NAC029，ABI1和PIF3），并通过ChIP-qPCR以验证其H3ac水平，发现MdHDA6促进低温相关基因的组蛋白去乙酰化，并抑制其表达，正向调控苹果的抗寒性（图2）。

图2 MdHDA6对苹果冷低温负调控因子进行组蛋白去乙酰化

MdHDA6是一种催化酶，不具有结合下游基因的能力。有研究报道HDAs可以直接与转录因子（TFs）相互作用，并依靠转录因子的结合能力靶向下游基因。随后作者发现MdHDA6与转录因子MdTCP15相互作用，并促进MdTCP15上的组蛋白去乙酰化并抑制其表达（图3）。

图3 MdHDA6与MdTCP15互作，调控MdTCP15组蛋白去乙酰化修饰水平，抑制其表达

因此作者探索MdTCP15在苹果对冷胁迫反应中的调节作用，过表达MdTCP15降低了苹果的耐寒性。相比之下，MdTCP15-RNAi株系在低温处理下与GL-3植物相比显示出更强的耐寒性。进一步研究发现，MdTCP15可以激活低温负调控因子表达，并抑制低温正调控因子，从而负向调节苹果的耐寒性。

由于MdTCP15是一种转录因子，因此可以直接与下游靶基因结合，对其靶基因进行转录调控。通过ChIP-qPCR和EMSA验证发现MdTCP15与MdABI1和MdCOR47启动子结合，Dual-luc实验进一步说明MdTCP15可以激活MdABI1的表达，抑制MdCOR47的表达，然而共同表达MdHDA6和MdTCP15后发现，MdHDA6通过直接与MdTCP15相互作用来抑制MdTCP15对靶基因的转录调控（图4）。

图4 MdHDA6抑制MdTCP15对靶基因的转录调控

MdHDA6-MdTCP15模块对苹果低温相关基因的新调节机制（图5）。第一，MdTCP15 依靠其DNA结合能力，MdTCP15招募MdHDA6至靶基因 MdABI1，使MdHDA6对MdABI1基因组区域进行组蛋白去乙酰化，抑制其表达，增强耐寒性；第二，MdHDA6的参与抑制了MdTCP15对冷低温负调控因子 MdABI1 的激活，从而增强了耐寒性；第三，MdHDA6的参与抑制了MdTCP15对MdCOR4表达的抑制，这对苹果耐寒性有积极调控作用。

图5 MdHDA6-MdTCP15调节苹果抗寒性的工作模型。

西北农林科技大学苹果抗逆品质改良创新团队管清美/徐记迪课题组完成了此项工作，徐记迪副教授为论文的通讯作者，硕士生郭美苗为论文第一作者，该项目得到了国家自然科学基金(31972370)、陕西省重大科技专项(2020zdzx03-01-02)、陕西省人才引进专项(F2020221010)的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.14128

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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