【The Plant Cell】苹果怎么解渴？西北农林科技大学管清美教授团队揭示苹果应对干旱的分子机制

全球气候变化与人口膨胀加剧了水资源短缺，如何提高作物应对干旱的适应力是科学家们坚持不懈的追求。微型反向转座子（MITE）可以通过插入或被甲基化来调控基因表达，是基因表达动态调控的重要方式。已有研究表明MITE在生物与非生物胁迫中均发挥重要作用，其是否参与苹果干旱适应性仍未见报道。

2022年7月28日，The Plant Cell在线发表了西北农林科技大学管清美教授研究团队题为“Methylation of a MITE insertion in the MdRFNR1-1 promoter is positively associated with its allelic expression in apple in response to drought stress”的研究论文。该研究发现揭示了MITE-MdRFNR1及其复合体调控苹果干旱应答的分子机制

课题组前期研究已表明MdRFNR1（root-type ferredoxin-NADP+ oxidoreductase）是受干旱诱导表达的，但其是否参与苹果干旱适应性仍不清楚。由于苹果转基因技术限制，作者先从嘎啦苹果中克隆了MdRFNR1，发现其存在3个等位基因（MdRFNR1-1/1-2/1-3），体外酶活实验表明MdRFNR1-1/1-2均具有氧化还原酶活性。对转基因苹果愈伤组织以及稳转材料进行分析，作者发现MdRFNR1-1/1-2在体内也具有较高的氧化还原酶活性，且PEG模拟干旱实验也表明过表达MdRFNR1-1/1-2在模拟干旱条件下酶活性与鲜重均显著高于野生型，表明这两种蛋白对苹果氧化还原酶活性与抗旱性的影响是相似的（图1）。

为了进一步证实MdRFNR1的氧化还原酶活性与苹果抗旱性的关系，作者检测了MdRFNR1-1 OE稳转材料，发现MdRFNR1-1 OE 表现出更高的NADP+/NADPH比率，且过表达材料在干旱条件下的存活率与光合作用速率均高于野生型，RNAi材料则相反（图2），表明MdRFNR1-1/1-2在体内均具有氧化还原酶活性且在抗旱中起到积极所用。

通过序列分析，作者发现MdRFNR1的启动子中发现了一个430bp的MITE插入，该插入在数十个苹果材料中普遍存在，但在371份测试材料中Mite-MdRFNR1均没有纯合基因型存在，那么Mite-MdRFNR1是如何影响MdRFNR1的表达呢？作者删除启动子中的MITE之后，发现在模拟干旱条件下也无法诱导MdRFNR1-1DMITEpro:GUS活性，表明Mite插入是干旱胁迫下促进MdRFNR1表达所必需的。随后作者发现，MdRFNR1过表达有助于转基因植株在干旱下提高存活率，体内有更高的NADP+/NADPH比率来响应干旱。

那么，为什么启动子插入MITE反而能促进MdRFNR1表达呢？作者怀疑与MITE甲基化有关，随后通过生信分析与McrBC-qPCR等实验，验证了干旱条件下Mite-MdRFNR1与DNA甲基化呈正相关。进一步研究发现苹果SUVH1和SUVH3与MdRFNR1-1的启动子上的甲基化的MITE-MdRF1结合并促进MdRFNR1表达（图3），且MdSUVHs-MdDNAJs复合体在MdRFNR1-1激活表达中至关重要。

ACKNOWLEDGMENTS

西北农林科技大学博士后牛春东、博士姜丽娟和曹富国为论文共同第一作者。感谢山东农业大学由春香教授，沈阳农业大学张志宏教授提供的部分实验材料，感谢西北农林科技大学高性能计算机平台等单位提供的帮助。本研究得到了国家自然科学基金（32172530），中央引导地方科技发展基金（2021SZVUP117），陕西省重点研发项目（2020zdzx03-01-02）以及中国博士后基金（2021M702692）的资助。

原文链接

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac220/6650097

转自：植物科学SCI

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