PBJ | 中国农大胡兆荣课题组揭示小麦组蛋白乙酰转移酶TaHAG1与TaNACL转录因子互作共同调控小麦耐热性的分子机制

全球气候变暖所导致的高温胁迫已经成为制约作物产量的重要逆境之一，严重威胁粮食安全。小麦是世界三大粮食作物之一，作为喜凉作物，其生长发育极易受到高温胁迫影响，尤其在开花和灌浆阶段的热胁迫会对最终产量造成严重影响。解析小麦耐热性的分子机制，提高小麦对高温胁迫的耐受性已成为当前植物生物学和作物遗传育种研究的重要目标之一。

近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了来自中国农业大学农学院小麦研究中心题为 “Histone acetyltransferase TaHAG1 interacts with TaNACL to promote heat stress tolerance in wheat” 的研究论文，该研究揭示了小麦组蛋白乙酰转移酶TaHAG1通过与TaNACL转录因子互作共同调控小麦耐热性的分子机制，为小麦耐热性遗传改良提供了重要的理论依据。

TaHAG1基因编码一个典型的组蛋白乙酰转移酶，定位在细胞核中且受高温诱导上调表达。作者获得了TaHAG1过表达和RNAi以及Crispr基因敲除株系并对其耐热性进行了鉴定。在苗期正常条件下， TaHAG1不同转基因株系表现出与野生型Fielder相似的表型；在高温胁迫下，与Fielder相比，TaHAG1超表达株系耐热性显著提升，而RNAi和CRISPR敲除株系耐热性显著降低（图1）。

作者进一步鉴定了田间条件下TaHAG1不同转基因株系在小麦灌浆期的耐热性表现。结果显示，在高温胁迫条件下，与Fielder相比，TaHAG1过表达株系显示出更好的高温适应性，表现为千粒重和粒宽显著提高。相比之下，RNAi和敲除株系则表现为千粒重严重下降，产量降低（图1）。值得注意的是，在田间对照条件下TaHAG1超表达株系和野生型之间农艺性状并没有明显差异，表明TaHAG1在提高小麦耐热性的同时对其他农艺性状没有明显的负效应。

作者对热胁迫处理前后野生型和TaHAG1-OE株系进行了RNA-Seq分析，从中鉴定出663个基因为受TaHAG1影响的热胁迫响应候选基因。这些基因中涉及质膜和类囊体细胞组分被显著富集，预示着TaHAG1-OE可能通过影响的膜和光合系统稳定性参与耐热性调控，这与热胁迫下TaHAG1-OE株系较低的离子渗透率和较高的叶绿素含量等指标相吻合。作者进一步发现与野生型Fielder相比，热胁迫下参与光合系统稳定性调控的关键基因TaG1和TaPSBR1的表达水平在TaHAG1过表达株系中显著上调，而在RNAi和CRISPR敲除株系中则被抑制；同时也发现，与野生型Fielder相比，热胁迫条件下TaHAG1过表达株系维持更高的PSII最大光化学量子效率（Fv/Fm），而在RNAi和CRISPR敲除株系中Fv/Fm则被显著抑制，进一步说明TaHAG1通过影响光合系统稳定性参与小麦耐热性调控。

为了深入解析TaHAG1参与的小麦耐热性调控机制，作者通过酵母双杂交筛选到多个与TaHAG1互作的转录因子，通过分析这些候选因子在小麦热胁迫前后的表达模式，发现其中一个具有NAC结构域的转录因子基因在热胁迫后显著上调，将其命名为 TaNACL。分析显示TaNACL定位于细胞核中且具有转录激活活性。作者通过荧光素酶互补（LCI）、免疫共沉淀 (Co-IP)和双分子荧光互补(BiFC)等实验进一步证实了TaHAG1与TaNACL互作。此外，TaNACL和TaHAG1能够激活TaG1和TaPSBR1基因启动子驱动的荧光素酶 (LUC) 报告基因的表达，说明两者均可以促进TaG1和TaPSBR1基因的转录。而且，相比于TaNACL或TaHAG1单独的激活效应，TaHAG1与TaNACL的共表达可以进一步提升TaG1和TaPSBR1启动子活性。作者进一步通过融合蛋白TaNACL-GST进行了EMSA分析，发现TaNACL能够识别并直接结合在TaG1和TaPSBR1启动子中的CACG基序（图2）。基于以上研究，作者提出了组蛋白乙酰转移酶TaHAG1通过与TaNACL转录因子相互作用共同调控TaG1和TaPSBR1的转录来增强热胁迫下小麦光合系统稳定性，进而提升小麦耐热性的调控通路。该研究提供了一种通过调节表观遗传调控因子的表达来改善小麦耐热性的潜在途径，并且不会对作物农艺性状造成明显的影响，为小麦耐热遗传改良提供了重要基因资源。该研究中鉴定到的涉及耐热性调控的基因可能对小麦以外的其他作物耐热性遗传改良也具有参考价值。

中国农业大学农学院小麦研究中心胡兆荣副教授为该论文的通讯作者，在读博士生林靖辰和宋娜博士为该论文的共同第一作者。小麦研究中心孙其信教授、倪中福教授、彭惠茹教授、姚颖垠教授、辛明明教授、郭伟龙副教授对该工作进行了指导和帮助。特别感谢已经毕业的高玉姣博士和安可心同学提供的TaHAG1基因CRISPR基因编辑材料, 也非常感谢刘德彪等各位同学们的鼎力相助和鼓励。

该研究得到了国家自然科学基金(32130078，32072001)，分子设计育种前沿科学中心青年科学家项目(2022TC145)和中国农大“2115人才工程”的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13881

转自：植物生物技术Pbj

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