西北农林科技大学揭示沉默6个GH3基因的转基因苹果在长期干旱胁迫下的抗性

干旱严重影响了黄土高原优势产区苹果的产量和品质，限制了苹果产业的健康、可持续发展。为了减少干旱造成的损失，急需培育抗旱苹果新种质。另外，嫁接是一种改善接穗生长、早花、果实品质和抗逆性的可行方法。因此，培育具有抗旱性的砧木材料是苹果栽培的关键。然而，苹果具有较长的生长周期及复杂的遗传背景，传统杂交育种对于苹果抗旱品种的选育具有局限性，而现代生物技术手段（如基因工程育种）已成为果树遗传育种中高效可行的手段。因此，利用生物技术手段获得抗旱性较好的苹果砧木用于提高苹果的抗旱能力，对于苹果产业的发展具有重要意义。此前，研究表明在短期干旱条件下，苹果中6个GH3家族基因（MdGH3.6及其近缘基因）的沉默提高了苹果的抗旱性。

2022年8月，Horticulture Research在线发表了西北农林科技大学园艺学院旱区作物逆境生物学国家重点实验室/陕西省苹果重点实验室苹果逆境生物学团队题为Engineering drought-tolerant apple by knocking down six GH3 genes and potential application of the transgenic apple as a rootstock 的研究论文。

该研究首先对沉默6个MdGH3基因的植株（MdGH3 RNAi）和野生型植株（GL-3）进行了60天的长期干旱胁迫处理，发现在长期干旱胁迫下，MdGH3 RNAi植株表现优于GL-3植株，MdGH3 RNAi植株具有更强壮的根系，更高的根冠比和水分利用效率，更强的导水能力和光合能力。以上证明了6个MdGH3基因的沉默增强了苹果植物对长期干旱的适应性。

图1 MdGH3 RNAi植株在长期干旱胁迫下的表型分析

然后，该研究进一步以GL-3、M9-T337和MdGH3 RNAi转基因植株为砧木嫁接长富二号（Fuji）进行了长期干旱胁迫处理，探究了MdGH3 RNAi转基因植株作为砧木在干旱胁迫下的潜在作用。其中M9-T337是应用最广泛的苹果矮化砧木，有助于苹果接穗早开花、早坐果。又由于其根系浅薄脆弱，对水分亏缺十分敏感，因此，以M9-T337作为对照来探究MdGH3 RNAi植株作为砧木在接穗的抗旱性以及开花坐果中发挥的作用。 研究发现，与GL-3和M9-T337植株作为砧木相比，MdGH3 RNAi植株作为砧木可提高接穗的抗旱性。 嫁接到MdGH3 RNAi植株上的接穗株高、茎粗、光合能力、比叶重和水分利用效率均显著提高。同时， 使用MdGH3 RNAi植株作为砧木也可以提高接穗的C/N比，在促进接穗开花结果方面达到与M9-T337砧木相似的效果。 值得注意的是，与M9-T337砧木相比，MdGH3 RNAi植株作为砧木在提高接穗抗旱性的同时没有降低接穗的果实大小和品质，这为在不影响接穗果实大小和品质的前提下提高苹果抗旱性提供了候选基因。

图2 嫁接在砧木上的接穗开花坐果情况

综上，该研究明确了6个MdGH3基因的沉默增强了苹果植物对长期干旱的适应性，以及发现与M9-T337砧木相比，沉默6个MdGH3基因的转基因植物（MdGH3 RNAi）作为砧木在提高接穗抗旱性的同时没有降低接穗的果实大小和品质，具有重要的生产应用价值，为未来利用CRISPR/Cas9技术创制抗旱优质苹果砧木提供了理论支持和新的思路。

西北农林科技大学园艺学院旱区作物逆境生物学国家重点实验室/陕西省苹果重点实验室苹果逆境生物学团队管清美教授为该论文的通讯作者，博士研究生姜丽娟为第一作者，博士研究生申文赟为论文的共同第一作者，该研究在国家自然科学基金（31872080）和国家重点研发计划项目（2019YFD1000100）的资助下完成。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhac122

转自：“园艺研究”微信公众号

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