近日，四川大学生命科学学院刘建全教授团队在《Genome Biology》发表题为“PtoNF YC9-SRMT-PtoRD26 module regulates the high saline tolerance of a triploid poplar”的研究论文。该文首次组装了一套高质量的三倍体毛白杨单倍型基因组，并解析了一种全新的由PtoNF YC9-SRMT-PtoRD26分子模块介导的杨树盐胁迫响应的转录调控通路，为林木耐盐品系的开发提供了新的见解和遗传靶点。
研究背景
植物作为固着生物，必须随时应对各种环境胁迫。如何感知和响应逆境信号是阐明植物逆境适应机制的基本生物学问题之一。盐胁迫是几大非生物胁迫因子之一，它能引起离子毒害、渗透失衡、氧化胁迫等次生胁迫，从而抑制植物光合作用，减缓营养生长，阻断呼吸，破坏新陈代谢。植物感知和响应盐胁迫的快慢和剧烈程度在很大程度上决定了其耐盐性的强弱。然而，以杨树为代表的木本植物具有基因组复杂及遗传转化困难的特点，因此其抗盐分子机制的研究还较为浅显，这极大地阻碍了耐盐品系的培育。三倍体毛白杨（Populus× tomentosa Carr. Clone 741）广泛分布于我国北方地区，是材用、园林绿化和农田防护的重要速生本土树种。这种人工异源三倍体杨树在生长速率、抗逆性和木材品质方面均优于二倍体。
研究结果
三倍体杨树单倍型基因组组装及高盐胁迫前后的转录组比较分析
作者通过对86.64 Gb高质量的PacBio HiFi reads和198.65 Gb染色体构象捕获（Hi-C）测序数据进行联合分析，获得了三倍体毛白杨单倍型基因组序列（图1），最终获得1.07 Gb基因组数据。该基因组可分为19组，每组含3条等位染色体，共57条染色体。此外，benchmark Universal Single-Copy Orthologs （BUSCO）分析显示，这个单倍型基因组可覆盖97.20%的完整BUSCO基因。作者通过对RNA-seq数据分析发现，盐处理前后，三套等位染色体上多数等位基因表达趋势类似。其中，杨树重要的盐旱响应标志基因PtoRD26的三个等位基因（PtoRD26.1，P.x_tomentosa47952；PtoRD26.2，P.x_tomentosa46818；PtoRD26.3，P.x_tomentosa48940）的表达量受盐处理显著上调近10倍（图1）。随后，作者以PtoRD26.1为代表，对三倍体毛白杨PtoRD26在盐响应过程中的生物学功能进行了分子生物实验验证。
作者通过农杆菌介导的杨树遗传转化体系，获得PtoRD26.1过量表达（PtoRD26.1-OE）和RNAi敲低（PtoRD26-RNAi）的转基因毛白杨。正常生长条件下，野生型毛白杨、过量表达和敲低杨树株系没有表现出生长上的显著差异，但在盐处理下，RNAi株系的盐胁迫耐受性受到极大损伤，而过表达株系则表现出更强的盐耐受能力。因此，PtoRD26是杨树盐害耐受性的正调控基因。进一步发现，脱落酸（abscisic acid，ABA）合成抑制剂氟啶草酮（fluridone，FLU）可以消除过表达植株的耐盐表型。因此，PtoRD26以ABA依赖的方式正调控三倍体毛白杨的盐胁迫耐受性（图2A-F）。
为了揭示盐胁迫下PtoRD26的转录调控网络，作者基于17个三倍体毛白杨和45个新疆杨的RNA-seq数据进行了基因共表达分析，发现2,435个基因与PtoRD26具有共表达关系，其中304个基因涉及干旱、盐胁迫和ABA信号调控。在这些基因中，作者发现一个全新的R2R3 MYB转录因子编码基因，该基因受ABA、干旱和盐胁迫诱导表达，并命名为SALT RESPONSE MYB TRANSCRIPTION FACTOR（SRMT）。进一步分析发现，这些与胁迫相关的基因中有104个基因同时与PtoRD26和SRMT存在共表达关系（图2G），暗示了这两个基因之间可能存在转录调控关系，共同调控毛白杨的盐响应过程。随后，作者通过凝胶迁移率实验（EMSA），酵母单杂交（Y1H）和双荧光素酶报告（dual-luciferases）实验等技术证实PtoRD26通过结合SRMT启动子上的MYB结合元件（RE2），直接激活SRMT的表达（图3）。
为阐明SRMT在杨树盐胁迫响应中的生物学功能，作者分别获得了SRMT过量表达（SRMT.3-OE）和RNAi敲低（SRMT-RNAi）的转基因毛白杨。在正常生长条件下，这些转基因杨树的株高和地径与野生型植株相比没有显著差异（图4）。但是，SRMT-RNAi株系的成熟叶片会出现卷曲表型（尤其是第5节点以下），而过量表达植株的叶片发育形态和野生型杨树没有明显差异，因此SRMT可能参与了叶片的发育。在盐处理下，SRMT过表达株系耐盐性最强，而敲低株系对盐处理最敏感，这些结果说明SRMT是杨树耐盐性的正调控基因。进一步研究发现，过量表达SRMT赋予杨树的高耐盐性可被ABA合成抑制剂消除，因此，SRMT调控杨树耐盐性依赖于ABA（图4）。
荧光定量PCR分析发现，PtoRD26在SRMT过量表达植株中上调，而在RNAi植株中下调，而且dual-luciferases实验证实SRMT可以在烟草中激活PtoRD26的表达。通过启动子分析发现，在PtoRD26启动子1,500 bp区域内，分布着6个潜在的SRMT结合元件（ME1-ME6）。随后，通过ChIP-qPCR，EMSA和dual-luciferases等实验手段证实SRMT可直接结合ME2、ME4和ME5位点而激活PtoRD26的表达（图5A-D）。因此，PtoRD26与SRMT相互调控而形成一个正反馈回路。
为了研究PtoRD26与SRMT在杨树盐胁迫响应中的遗传关系，作者在SRMT过量表达背景下通过RNAi降低了PtoRD26的表达丰度，得到PtoRD26-RNAi/SRMT-OE株系。盐胁迫实验显示，PtoRD26-RNAi/SRMT-OE植株与SRMT-RNAi植株类似，其叶片大面积干枯坏死，表现出对盐胁迫超敏感表型（图5E-F）。这一实验结果表明SRMT功能发挥依赖于PtoRD26，PtoRD26显性上位于SRMT。
为阐明SRMT对PtoRD26的转录调控机制，作者分别构建了SRMT和PtoRD26盐胁迫和ABA处理36小时内的时间表达模式，发现PtoRD26在处理后4小时即达到表达峰值，而SRMT则显著晚于PtoRD26，在处理后24小时表达水平最高。而且，在SRMT-RNAi植株中，盐胁迫和ABA处理对PtoRD26的诱导显著大幅降低，甚至消失（图5G-J）。基于这些实验数据，作者提出了疑问：既然SRMT是PtoRD26响应盐胁迫和ABA所必须，但在胁迫处理下，PtoRD26却先于SRMT表达？因此，作者推测SRMT对PtoRD26的调控可能主要是在蛋白水平。
为了验证上述假设，作者以SRMT为诱饵进行酵母双杂交筛库，捕获到一个NUCLEAR FACTOR Y SUBUNIT C9（PtoNF-YC9）。通过Pull-down，Co-IP和Y2H等体内外实验进一步证实PtoNF-YC9和SRMT之间的相互作用（图6A-C）。在拟南芥中，胁迫会触发植物细胞质中NF-YC蛋白转移到细胞核中，从而有效地整合内源和外界环境信号。因此作者通过亚细胞观察和免疫印迹的方法证明了ABA和盐处理会导致PtoNF-YC9从细胞质转移至核中（图6D-F）。
接着作者比较了PtoNF-YC9过量表达（PtoNF-YC9.1-OE）和RNAi植株（PtoNF-YC9-RNAi）与野生型植株的盐耐受性，发现过量表达植株对盐胁迫表现出更强的耐受性，而RNAi株系却对盐胁迫更加敏感。通过在培养基中加入ABA合成抑制剂，发现过量表达植株的盐耐受性降低，与野生型植株类似。这些结果表明PtoNF-YC9通过依赖于ABA的方式正向调控杨树的高盐胁迫耐受性。
而且，在PtoNF-YC9-RNAi背景下敲低SRMT而获得的双敲低植株（SRMT-RNAi/PtoNF-YC9-RNAi-L18/L31）表现出和SRMT-RNAi植株相似的高盐敏感性（图8A-C），可推测SRMT对PtoNF-YC9显性上位，并且这两个基因都位于相同的盐胁迫应答信号通路上。最后，作者通过免疫印迹和dual-luciferases实验证明了共表达PtoNF-YC9和SRMT对PtoRD26启动子的激活显著强于分别表达这两个基因（图8D-E）。这些结果表明盐胁迫和ABA触发PtoNF-YC9转移至核中，与SRMT互作，增强其对PtoRD26的转录活性，从而使PtoRD26大量表达。
总之，该论文报道了一套高分辨率的三倍体毛白杨单倍型基因组，为多倍体物种基因组的成功破译提供了范例，为深入研究三倍体杨树分子调控机制提供了生物信息学基础和工具。其次，揭示了一种全新的由PtoNF-YC9-SRMT-PtoRD26分子模块介导的杨树盐响应转录调控通路（图8F）：盐胁迫激发ABA的大量积累，从而驱动PtoNF-YC9的核定位，进而与SRMT发生相互作用协同增强PtoRD26的表达。PtoRD26的上调表达则会进一步激活SRMT的表达，从而形成了“开关—正反馈回路”模型快速放大胁迫信号。这些研究成果不仅加深了对木本植物盐响应调控机制的理解，也为抗盐杨树种质的筛选和培育提供了新思路和遗传靶点。
该研究由毕业博士研究生同少飞和陈宁宁，以及在读博士生王毓博共同完成，刘建全教授、马涛教授和姜渊忠副研究员为论文的共同通讯作者。在读博士生刘豹、王德彦、汪伟伟和陈阳参与了该工作。本研究得到国家自然科学基金及国家重点研发计划的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1186/s13059-022-02718-7
转自：植物生物技术Pbj
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