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最新觀點 | ZmCCT調控玉米抗旱性的分子機制

作者:任德榮、吳鎖偉

我國玉米生產面臨旱澇災害的日益嚴峻挑戰,其中旱災可導致玉米產量大幅下降30%以上。為此,解析玉米抗旱的關鍵基因和分子機制,對培育高產抗旱玉米新品種具有重要意義。

近日,北京農學院王偉翔團隊在植物學主流期刊《Journal of Experimental Botany 》發表了一篇題為“ ZmCCT regulates drought tolerance in maize by interacting with ZmFra a 1, E3 ligase ZmWIPF2 and auxin response factor ZmAux/IAA8 ”的研究論文,該研究發現ZmCCT與膜蛋白ZmFra a 1、泛素連接酶ZmWIPF2和IAA家族轉錄因子ZmAux/IAA8三個蛋白互作,提高IAA合成和調控下游靶標基因表達,進而調控玉米的抗旱性,為玉米抗旱分子設計育種提供新的思路和理論依據。


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研究人員首先比較了ZmCCT 基因完整表達(Y331-ΔTE)和基因組上存在轉座子插入導致的不完整表達(Y331)的兩個玉米近等基因系及其雜交組合(83B28H1和83B28H5)的抗旱表型。在長期模擬旱情處理下,含有完整 ZmCCT 基因的兩個組合均顯示出顯著增強的抗旱性,具體表現為更高的存活率、葉片相對含水量,以及在干旱條件下維持更高的光合作用相關參數(圖1)。此外,過表達ZmCCT 基因的轉基因玉米和擬南芥也明顯增強了對干旱處理的抵御能力(圖. 2)。上述結果證明ZmCCT是玉米抗旱性的一個正向調控因子。


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圖1. 比較不同玉米近等位基因系的抗旱表型

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圖2. 過表達ZmCCT的玉米和擬南芥抗旱表型

為深入揭示ZmCCT調控玉米抗旱性的分子機制,研究人員首先通過酵母雙雜交,證明ZmCCT能與膜蛋白ZmFra a 1、泛素連接酶ZmWIPF2和IAA家族轉錄因子ZmAux/IAA8三個蛋白直接結合(圖3)。細胞共定位實驗結果顯示,ZmCCT能促進原本胞質定位的ZmWIPF2進入細胞核(圖4),暗示ZmCCT可能通過ZmWIPF2介導下游基因的表達。此外,過表達 ZmCCT 能顯著上調擬南芥內源IAA的合成(圖5),表明ZmCCT是IAA合成的正向調控因子。

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圖3. 熒光素酶互補驗證ZmCCT與目標蛋白的結合


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圖4. 共定位結果顯示ZmCCT促進ZmWIPF2進入核

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圖5. 過表達ZmCCT的擬南芥染色結果

為確定ZmCCT的下游靶標基因,研究人員進行了轉錄組分析,結果發現ZmCCT可激活多種干旱響應相關基因的表達,如ZmRD17、ZmAFP3和ZmPP2C等(圖6)。DAP-seq技術進一步明確了輔助轉錄因子ZmAux/IAA8結合的部分靶基因在缺失ZmCCT基因表達的植株中表達變化不明顯,表明這些基因受ZmCCT-ZmAux/IAA8途徑調控。


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圖6. 玉米干旱響應相關基因的表達分析

綜上,該研究系統闡明了ZmCCT基因通過提高IAA合成和調控ZmAux/IAA8下游靶標基因表達,增強玉米幼苗的抗旱能力(圖7)。該研究為利用 ZmCCT培育抗旱高產玉米新品種奠定了理論基礎,對玉米抗旱性分子設計育種具有參考意義。


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圖7. ZmCCT介導玉米抗旱性的工作模型



原文鏈接:

https://doi.org/10.1093/jxb/erad372




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