近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國重點實驗室/園藝學(xué)院柳李旺教授團(tuán)隊在國際植物學(xué)知名期刊Plant, Cell & Environment和Plant Journal發(fā)表了題為“RsKNAT3 interacts antagonistically with RsKNAT1 to confer thermotolerance by regulatingRsDREB2A transcription in radish”和 “RsWRKY49 promotes cold tolerance via activating the expression ofRsCBF2 andRsNR2 in radish (Raphanus sativus L.)”的研究論文，分別揭示了RsKNAT3/1和RsWRKY49調(diào)控蘿卜肉質(zhì)根高溫與低溫脅迫響應(yīng)的分子機制。

蘿卜是一種重要的根莖類蔬菜作物，以膨大肉質(zhì)根為主要產(chǎn)品器官。蘿卜肉質(zhì)根形成涉及維管形成層細(xì)胞不斷向內(nèi)和向外分裂分化成木質(zhì)部和韌皮部。隨著全球氣候變化進(jìn)程日益加劇，高溫/低溫脅迫嚴(yán)重制約肉質(zhì)根形成層細(xì)胞活動和發(fā)育，導(dǎo)致肉質(zhì)根膨大受阻，產(chǎn)量與品質(zhì)下降。盡管KNOX與WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育和溫度脅迫響應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用，但其調(diào)控蘿卜肉質(zhì)根形成膨大及高溫/低溫耐性的分子機制仍不明確。

該研究利用蘿卜RNA-Seq及RT-qPCR分析鑒定到調(diào)控蘿卜耐熱性差異的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子RsKNAT1和RsKNAT3，表型分析發(fā)現(xiàn)，RsKNAT3沉默植株耐熱性明顯降低，而RsKNAT1沉默植株表現(xiàn)出相反的趨勢。綜合利用Y2H、BiFC、Pull-down、LCI技術(shù)發(fā)現(xiàn)RsKNAT1與RsKNAT3發(fā)生互作（圖1）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，RsKNAT3可激活耐熱核心調(diào)控因子RsDREB2A基因表達(dá)，而RsKNAT1不能結(jié)合RsDREB2A啟動子，但可抑制RsKNAT3對RsDREB2A的激活能力，表明RsKNAT1對RsDREB2A的抑制作用需要依賴于RsKNAT3。

圖1 RsKNAT1和RsKNAT3蛋白的互作分析

在耐熱蘿卜基因型中，RsKNAT3表達(dá)量顯著高于RsKNAT1，RsKNAT3作為轉(zhuǎn)錄激活子，通過正調(diào)控RsDREB2A表達(dá)增強蘿卜植株耐熱性；在熱敏感蘿卜基因型中，RsKNAT1表達(dá)量高于RsKNAT3，RsKNAT1通過與RsKNAT3互作抑制RsKNAT3對RsDREB2A的激活，降低蘿卜植株耐熱性（圖2）。該研究揭示了RsKNAT3與RsKNAT1相互拮抗調(diào)控蘿卜耐熱性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制，研究結(jié)果為蘿卜耐熱性狀遺傳改良與優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)新提供了重要的分子靶標(biāo)與理論基礎(chǔ)。

圖2 RsKNAT3與RsKNAT1相互拮抗調(diào)控蘿卜耐熱性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

該研究發(fā)現(xiàn)RsWRKY49在蘿卜根中特異表達(dá)并能響應(yīng)低溫誘導(dǎo)，且在蘿卜耐冷基因型‘NAU-RG’根中受冷誘導(dǎo)表達(dá)量明顯高于冷敏感基因型‘NAU-XBC’。過表達(dá)RsWRKY49可提高冷敏感基因型蘿卜耐冷性，而抑制表達(dá)RsWRKY49增加了耐冷基因型蘿卜低溫敏感性。過表達(dá)RsWRKY49的蘿卜毛狀根根尖細(xì)胞分裂活動增強，且維持冷脅迫下根生長的能力（圖3）。啟動子分析發(fā)現(xiàn)，1個DRE順式作用元件僅存在于耐冷基因型RsWRKY49啟動子，且低溫脅迫下耐冷基因型RsWRKY49啟動子活性顯著高于冷敏感基因型。此外，RsWRKY49可直接結(jié)合RsCBF2和RsNR2啟動子并激活其表達(dá)，進(jìn)而增強蘿卜植株低溫耐性。

圖3 RsWRKY49平衡蘿卜根系生長與低溫脅迫響應(yīng)

低溫脅迫下，耐冷基因型蘿卜肉質(zhì)根中RsWRKY49表達(dá)水平顯著升高。上調(diào)表達(dá)的RsWRKY49增強蘿卜耐冷性并促進(jìn)肉質(zhì)根生長。耐冷基因型蘿卜RsWRKY49啟動子低溫響應(yīng)能力強于冷敏感基因型，導(dǎo)致耐冷基因型RsWRKY49轉(zhuǎn)錄水平增強，進(jìn)而通過CBF-COR信號通路和硝酸鹽同化途徑，促進(jìn)耐冷基因型‘NAU-RG’相較于冷敏感基因型‘NAU-XBC’具有更強的耐寒性（圖4）。本研究解析了RsWRKY49調(diào)控蘿卜肉質(zhì)根低溫脅迫響應(yīng)的分子機制，為耐低溫蘿卜種質(zhì)創(chuàng)制和遺傳改良提供重要的基因資源和理論依據(jù)。

圖4 RsWRKY49通過CBF信號和硝酸鹽同化途徑正向調(diào)控蘿卜低溫脅迫響應(yīng)

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國重點實驗室/園藝學(xué)院、生物育種鐘山實驗室博士研究生王凱/李景雪、陳森分別為兩篇論文第一作者，柳李旺教授為通訊作者。團(tuán)隊徐良、王燕副教授參與了相關(guān)研究。相關(guān)研究得到了江蘇省科技計劃（重點研發(fā)計劃現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）重點項目、江蘇省種業(yè)振興“揭榜掛帥”項目、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目[CX(23)1013]、國家自然科學(xué)基金和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目（PAPD）資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1111/tpj.70256

原文鏈接：https://doi.org/10.1111/pce.15619