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最新觀點 | 中國農業科學院作物科學研究所/西北農林科技大學揭示bHLH轉錄因子調控水稻苗期耐鹽性新機制

作者:李雅楠、董振營

水稻是鹽敏感植物,在苗期和繁殖階段最容易受到鹽脅迫,當土壤中可溶性鹽濃度達到0.3%時即表現出受害癥狀,導致顯著減產和最終植株死亡。在耕地資源日益趨緊的情況下,培育并推廣耐高鹽的水稻新品種,充分利用大面積的海邊灘涂鹽堿地和內陸鹽堿地,對保障糧食安全具有重大意義。

2023年8月,中國農業科學院作物科學研究所傅彬英研究員和西北農林科技大學趙天永教授團隊發表了題為“The bHLH transcription factor gene, OsbHLH38 , plays a key role in controlling rice salt tolerance”的研究論文。該研究通過全基因組關聯分析(GWAS)鑒定了一個響應ABA的bHLH家族轉錄因子基因OsbHLH38,該基因可以通過調控AP2家族轉錄因子OsDREB2A 的表達,正向調節水稻苗期耐鹽性。

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在本研究中,研究團隊在利用GWAS技術對旱稻種子萌發期ABA敏感性進行評估,從而挖掘旱稻非生物脅迫耐受性的自然變異,并鑒定出ABA敏感性的幾個 qtl 和候選基因。

研究人員在310萬個單核苷酸多態性(SNPs)位點的基礎上,進行主成分分析來研究群體結構,將436份水稻分為三個亞群且不同水稻亞群對ABA敏感性存在很大差異(圖1)。

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圖1. 不同水稻群體萌發過程中脫落酸(ABA)敏感性的群體結構分析及表型變異

對群體結構和遺傳關系進行分析,發現自然群體中存在相當大的遺傳多樣性。在此基礎上利用空白處理(CKG)和脫落酸(ABAG)處理下的種子發芽率 (SGR) 以及萌發1 d后的相對發芽率 (REG) 進行關聯分析。分析了經過篩選的4個QTL區域內的63個 snp 。鑒定出21個與 snp 對應的候選基因(圖2)。通過轉錄組學分析,基因 Os08g0432800 表達對ABA和其他非生物脅迫具有顯著差異。生物信息學分析證實,OsbHLH38 編碼bHLH 轉錄因子。

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圖2. 對照(CKG)和脫落酸處理(ABAG)條件下種子發芽率及相對發芽率(REG) (ABAG/CKG)的全基因組關聯分析

為了探討不同非生物脅迫對 OsbHLH38 表達的影響,研究人員對不同非生物脅迫下的水稻幼苗 OsbHLH38 的表達模式進行分析。OsbHLH38 的表達量在不同處理下均有所增加,尤其是葉片,但表達模式不同(圖3)。實驗結果表明,OsbHLH38 的表達受到包括鹽脅迫在內的多種非生物脅迫調節。

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圖3. 不同非生物脅迫下水稻幼苗OsbHLH38的表達模式

為了研究OsbHLH38在非生物脅迫下的生物學功能,研究人員構建了過表達株系與基因敲除株系,發現 OsbHLH38 能夠正向調控水稻苗期鹽脅迫抗性(圖4)。

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圖4. OsbHLH38轉基因品系和野生型(WT)植物對脫落酸(ABA)處理和鹽脅迫的表型反應

通過酵母雙雜交篩選到互作蛋白OsDREB2A,其是水稻AP2/ERF轉錄因子 DREBP 亞家族成員,參與水稻非生物脅迫響應。進一步采用酵母單雜交和 ChIP-qPCR 等實驗證明OsbHLH38 能夠結合到 OsDREB2A 的啟動子上調控其表達(圖5)。

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圖5. OsbHLH38與OsDREB2A啟動子區結合

這些結果為進一步深入研究水稻ABA敏感性與非生物脅迫耐受性相關的遺傳機制奠定了基礎。該研究揭示了轉錄因子基因OsbHLH38 調控水稻鹽脅迫應答的新機制,為利用分子設計育種技術耐鹽新品種提供了理論基礎和基因資源。

原文鏈接:

https://do?i.org/10.1111/jipb.13489



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