2023年8月25日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室、国家柑橘保鲜技术研发专业中心、华中农业大学花卉研究所和农业农村部华中都市农业重点实验室张帆教授课题组在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“An insertion of transposon in DcNAP inverted its function in the ethylene pathway to delay petal senescence in carnation (Dianthus caryophyllus L.)”的研究论文。该研究发现转座子插入导致衰老关键转录因子DcNAP发生结构变异从而在转录后水平调控乙烯诱导的康乃馨花瓣衰老的分子机制。
花卉是极其重要的园艺作物，在满足人们的精神需求、服务乡村振兴和美丽中国建设以及巩固拓展脱贫攻坚成果中发挥着越来越关键的作用。康乃馨（Carnation）学名为香石竹（Dianthus caryophyllus L.），是世界四大鲜切花和我国最重要的鲜切花之一，具有极高的观赏价值和经济价值。康乃馨同时也是一种典型的乙烯敏感性切花，被认为是研究乙烯调控鲜切花采后衰老，特别是花瓣衰老的模式植物。张帆教授课题组前期研究系统阐明了乙烯在转录水平和翻译后水平调控康乃馨花瓣衰老的分子机制（王妍等, 园艺学报, 2022; Xu et al, Plant Journal, 2021; Xu et al, Journal of Experimental Botany, 2022; Wang et al, Plant Journal, 2023; Zhu et al, Plant Journal, 2023），近期研究也揭示了表观遗传修饰调控康乃馨花瓣衰老的分子机理（Feng et al, Plant Physiology, 2023），但对于乙烯在转录后水平如何调控康乃馨花瓣衰老仍知之甚少。
为了分析乙烯在转录后水平如何调控康乃馨花瓣衰老，本研究对课题组前期构建的乙烯处理不同时间的康乃馨花瓣衰老进程转录组数据进行分析后发现，NAC家族转录因子DcNAP在康乃馨花瓣衰老过程中能够快速响应乙烯并显著诱导表达。进一步的研究发现，康乃馨基因组上存在一对DcNAP等位基因（DcNAP，DcNAP-dTdic1），其中DcNAP-dTdic1等位基因的第二个外显子上插入了一个886bp大小的dTdic1转座子（图1）。DcNAP等位基因能够编码含有完整NAC结构域的DcNAP1蛋白，而dTdic1转座子的插入则破坏了DcNAP-dTdic1等位基因的结构，并通过选择性剪接产生NAC结构域发生缺失的DcNAP2蛋白（图1）。
图1. dTdic1转座子插入导致衰老关键转录因子DcNAP发生结构变异
通过VIGS技术瞬时沉默DcNAP1能够明显延缓康乃馨花瓣的衰老进程，同时乙烯生物合成关键基因和衰老相关基因的表达量显著下降；而瞬时沉默DcNAP2能够明显加速康乃馨花瓣的衰老进程，同时乙烯生物合成关键基因和衰老相关基因的表达量显著上升（图2）。这表明DcNAP1和DcNAP2在调控康乃馨花瓣衰老的过程中行使着相反的功能。
图2. 沉默DcNAP1和DcNAP2能够分别延缓和加速康乃馨花瓣的衰老进程
进一步的研究发现，DcNAP1能够结合到乙烯生物合成关键基因的启动子上并激活它们的表达, 而DcNAP2则不能结合到乙烯生物合成关键基因的启动子上（图3）。但DcNAP2能够与DcNAP1发生直接的相互作用，从而拮抗DcNAP1对乙烯生物合成关键基因的激活作用（图3）。研究同时发现，乙烯信号通路核心转录因子DcEIL3-1能够同时结合到DcNAP1和DcNAP2的启动子上并激活它们的表达。研究另外还发现，DcNAP-dTdic1等位基因在不同乙烯敏感性康乃馨品种间存在差异，暗示DcNAP-dTdic1等位基因可以作为开发筛选不同乙烯敏感性康乃馨品种的分子标记。
图3. DcNAP2拮抗DcNAP1对乙烯生物合成关键基因的激活作用
本研究阐明了乙烯在转录后水平调控康乃馨花瓣衰老的分子机制（图4），进一步拓展了人们对康乃馨花瓣衰老分子调控网络的认识。这为筛选和培育货架期和瓶插期延长的康乃馨新品种以及分子标记开发奠定了关键的理论基础并提供了重要的基因资源，同时对其它观赏花卉和鲜切花的采后保鲜也具有重要的理论价值和实践意义。本研究同时为人工操纵NAC转录因子的NAC结构域进行作物遗传改良提供了有效策略。
图4. 乙烯在转录后水平调控康乃馨花瓣衰老的工作模型
华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士研究生孙政为论文第一作者，张帆教授为论文通讯作者，程运江教授和包满珠教授参与了本研究。本研究得到了中央高校基本科研业务费专项基金（2662019PY049）、华中农业大学高层次人才启动经费项目和华中农业大学中央高校优秀青年团队培育项目（2662023PY011）等的资助。
参考文献：
1. Zheng Sun, Manman Wu, Siqi Wang, Shan Feng, Yan Wang, Teng Wang, Chunlin Zhu, Xinyu Jiang, Hongya Wang, Ruiming Wang, Xinyi Yuan, Menglu Wang, Linlin Zhong, Yunjiang Cheng, Manzhu Bao, Fan Zhang*. (2023) An insertion of transposon in DcNAPinverted its function in the ethylene pathway to delay petal senescence in carnation (Dianthus caryophyllus L.). Plant Biotechnology Journal. doi.org/10.1111/pbi.14132.
2. Shan Feng, Xinyu Jiang, Ruiming Wang, Hualiang Tan, Linlin Zhong, Yunjiang Cheng, Manzhu Bao, Hong Qiao, Fan Zhang*. (2023) Histone H3K4 methyltransferase DcATX1 promotes ethylene induced petal senescence in carnation. Plant Physiology192: 546-564.
3. Chunlin Zhu#, Zhiheng Huang#, Zheng Sun, Shan Feng, Siqi Wang, Teng Wang, Xinyi Yuan, Linlin Zhong, Yunjiang Cheng, Manzhu Bao, Fan Zhang*. (2023) The mutual regulation between DcEBF1/2 and DcEIL3-1 is involved in ethylene induced petal senescence in carnation (Dianthus caryophyllus L.). Plant Journal 114: 636-650.
4. Teng Wang#, Zheng Sun#, Siqi Wang, Shan Feng, Ruiming Wang, Chunlin Zhu, Linlin Zhong, Yunjiang Cheng, Manzhu Bao, Fan Zhang*. (2023) DcWRKY33 promotes petal senescence in carnation (Dianthus caryophyllus L.) by activating genes involved in the biosynthesis of ethylene and abscisic acid and accumulation of reactive oxygen species. Plant Journal 113: 698-715.
5. Han Xu#, Siqi Wang#, Robert M. Larkin, Fan Zhang*. (2022) The transcription factors DcHB30 and DcWRKY75 antagonistically regulate ethylene-induced petal senescence in carnation (Dianthus caryophyllus). Journal of Experimental Botany 73: 7326-7343.
6. Han Xu, Dan Luo, Fan Zhang*. (2021) DcWRKY75 promotes ethylene induced petal senescence in carnation (Dianthus caryophyllus L.). Plant Journal108: 1473-1492.
7. 王妍，孙政，冯珊，袁心怡，仲林林，曾云流，傅小鹏，程运江，包满珠，张帆*. (2022) 香石竹DcERF-1转录因子对切花衰老的负调控作用. 园艺学报 49: 1313-1326.
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14132
张帆教授课题组长期从事鲜切花采后衰老的分子机制研究。近三年以独立通讯作者在Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology、Plant Journal（3篇）、Journal of Experimental Botany等主流学术期刊上发表研究论文多篇。课题组现诚聘博士后，详情请见http://rsc.hzau.edu.cn/info/1028/2141.htm。
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