The plant journal | 福建农林大学朱强教授团队在毛竹DREB家族基因的功能解析及应用方面取得研究进展

竹子作为一种重要的可持续的非木材林产品，具有很高的经济、生态和文化价值。但包括毛竹在内的多数大型竹种生长在热带和亚热带地区，其分布和生长发育受到寒冷、干旱、盐分等环境胁迫的严重影响。由于竹子开花时间长且不规则，传统育种方法很难应用于竹子种质资源创新，因而通过基因工程提高竹子的非生物胁迫的耐受性对竹子种质资源创新具有重要的意义。干旱应答元件结合蛋白（Dehydration response element binding protein，DREB）被认为是植物响应非生物胁迫的关键开关，在模式植物中进行了广泛的研究，但在竹子中相关的研究较为滞后。目前也没有任何竹子DREB家族的基因功能得到解析。毛竹基因组于2013年首次公布(Peng, et al.; 2013)，并于2018年被组装到染色体水平(Zhao, et al.; 2018)。这为系统鉴定毛竹中的DREB基因，探索其在响应非生物胁迫中的作用机制并创造其抗逆竹种提供了条件。

近日，福建农林大学海峡联合研究院朱强教授团队在《The Plant Journal》上发表题为“Comprehensive genome-wide analysis of the DREB gene family in Moso bamboo (Phyllostachys edulis): evidence for the role of PeDREB28 in plant abiotic stress response”的研究论文。

该研究对毛竹DREB基因家族进行了全面的基因组分析，鉴定出44个PeDREB基因，并根据它们的基因结构、蛋白质基序、系统发育关系和胁迫相关顺式调节元件（CRE）的信息推测，除了模式植物中广泛报道的A1、A2亚家族基因参与逆境胁迫之外，竹子A5亚类的PeDREB基因也参与了竹子的逆境胁迫响应。进一步实验分析表明毛竹A5亚家族有4个PeDREB基因的表达受到盐、干旱和低温胁迫的诱导。其中，PeDREB28能在转录水平上受到多种非生物胁迫的快速诱导，并与胁迫应答相关的DRE-及CE1-顺式作用元件结合，被选为候选基因进行下一步功能分析。研究表明，PeDREB28定位于细胞核中，具有转录激活活性，在拟南芥和竹子中过表达能够显著提高植物对非生物胁迫的耐受性。转录组分析表明，PeDREB28基因过表达导致竹子中胁迫、次级代谢、激素以及转录因子以及氧化还原等相关基因表达水平发生的广泛变化。此外，该团队优化了适用于竹子的DAP-seq体系，并结合RNA-seq分析结果，确定了628个PeDREB28的下游潜在基因。通过酵母单杂交以及凝胶迁移率实验验证发现，PeDREB28能够与ABA受体蛋白pyrabactin-resistance like (DlaPYL3)基因的启动子直接结合并激活其表达，表明PeDREB28可能是通过调控ABA信号途径改变竹子的抗逆性（图1）。综上，本研究为表征毛竹DREB基因家族功能提供了有价值的信息，为其功能验证和利用奠定了基础。此外，本研究首次较为系统的阐释了竹子中单个DREB基因的功能，并基于该基因通过基因工程获得了抗逆性增强的转基因竹子新材料。

近年来，福建农林大学海峡联合研究院朱强团队在竹子转基因/基因编辑工具的研发及应用研究方面取得了系列的进展，主要包括以麻竹茎节为外植体的高效再生体系与遗传转化体系（Plant Journal，2021；Frontiers in Plant Science，2017）；基于原生质体优化了适用于竹子的基因编辑元件，并在竹子中实现了基因编辑（Plant Biotechnology Journal，2020）；基于多组学研究提出了竹子参与生长发育及逆境胁迫响应的分子模型，并分离了多个调控竹子快速生长和冷胁迫的关键基因（Tree Physiology， 2020；BMC Genomics, 2017）；通过转基因/基因编辑的方法创制了颜色改变、抗冷、株型改变等一系列具有麻竹新材料（Planta， 2021；Plant Biotechnology Journal，2020），部分转基因竹子已经开展了中间试验 (Frontiers in Microbiology, 2022)。

福建农林大学林学院2021级博士生胡昕与2019级本科生梁健翔（现直博于上海交通大学）为论文的共同第一作者。朱强教授为论文的通讯作者。福建农林大学海峡联合研究院的王文佳、蔡昌杨、叶善汶、王楠楠、韩芳英和吴宇欣也参与了该研究。本研究得到了国家自然科学基金项目（No.31870660，No.31771565）和福建农林大学林学院高峰高原学科建设项目（118/72202200201）的资助支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/tpj.16420

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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