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The Crop Journal│中国热带农业科学院生物技术研究所揭示HD-Zip转录因子调控木薯植株发育与干旱胁迫响应平衡的机制

作者:阮孟斌 发布时间:2023-03-31 阅读量:1828

  木薯(Manihot esculenta Crantz)是一种重要的热带粮食作物,其块根富含淀粉,是仅次于玉米的第二大淀粉供应作物。木薯的种植区域大多分布于干旱半干旱地区,覆盖全球100多个国家。干旱是木薯面临的重要环境胁迫因素之一,为了适应热带地区的干旱环境,木薯发展出不同的策略以应对干旱胁迫,包括早期生长停止和延缓生长等。耐旱和高产平衡调控机制一直是木薯分子育种基础研究的热点之一,但是木薯植株发育与干旱胁迫响应平衡调控机制仍有待研究。HD-Zip转录因子是植物特有的一类包含紧密连接亮氨酸拉链基序同源结构域的转录因子,在调控植物生长发育、非生物胁迫响应和激素信号转导中发挥重要作用。然而, HD-Zip转录因子是否参与调控木薯植株发育与干旱胁迫响应平衡尚不清楚。

  近日,中国热带农业科学院热带生物技术研究所在The Crop Journal在线发表了题为“A homeodomain-leucine zipper I transcription factor, MeHDZ14, regulates internode elongation and leaf rolling in cassava (Manihot esculenta Crantz)”的研究论文,作者以木薯栽培品种cv. 60444为主要研究对象,鉴定到一个响应干旱胁迫并调控木薯植株高度和叶片形态的HD-Zip转录因子MeHDZ14,详细研究了该转录因子调控木薯植株发育和干旱胁迫响应平衡的分子机制。

  研究人员比较了在干旱胁迫条件下两个典型木薯栽培品种植株发育的差异,并发现MeHDZ14表达在两个栽培品种中对干旱胁迫的响应差异显著。以其中的一个品种cv. 60444为转基因受体研究MeHDZ14的功能,发现过表达MeHDZ14的转基因木薯植株矮化(图1)。扫描电镜观察结果表明,过表达MeHDZ14显著改变转基因木薯节间细胞形态,导致节间距明显缩短(图2)。外施赤霉素GA3可有效恢复转基因木薯的节间距(图3),随后的激素含量及合成途径分析结果表明MeHDZ14负调控赤霉素和生长素的合成以此影响植株发育。此外,MeHDZ14过表达引起木薯叶片正面卷曲,扫描电镜结果显示转基因木薯叶片下表皮细胞皱缩是引起叶片卷曲的主要原因(图4)。最后,MeHDZ14可以调控多个响应干旱胁迫、并与木质素合成和细胞壁发育的基因,如咖啡酸3-o-甲基转移酶(MeCOMT1)(图5)。 研究结果揭示了MeHDZ14抑制赤霉素和木质素合成、调控木薯植株发育与干旱胁迫响应平衡的分子机制,为培育耐旱高产木薯新品种提供科学依据。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cj.2023.03.001

  作者和基金项目

  中国热带农业科学院热带生物技术研究所于晓玲副研究员、郭鑫博士同为该文第一作者,阮孟斌研究员为通信作者,彭明研究员参与了论文的指导工作。该研究得到国家现代农业产业技术体系建设专项品种改良岗(CARS11-HNCX)、海南省重大科技计划(ZDKJ2021012)、中国热带农业科学院中央公益性科研单位基础研究基金(1630052022008)、国家重点研发计划(2018YFD1000501)、国家自然科学基金(31501378)、海南崖州湾种子实验室(B21HJ0303)项目资助。

  The Crop Journal (《作物学报(英文版)》)是中国科协主管,中国作物学会、中国农业科学院作物科学研究所和中国科技出版传媒股份有限公司共同主办的学术期刊,创刊于2013年10月。办刊宗旨为刊载作物科学相关领域最新成果,开展国际学术交流,促进我国作物科学研究水平及国际影响力的提升。主要刊登农作物遗传育种、耕作栽培、生理生化、生态、种质资源以及与农作物有关的生物技术、生物数学、农业气象等领域以第一手资料撰写的研究论文、研究简报以及专题综述等。2021年The Crop Journal的SCI影响因子为4.647,在JCR农学和植物学两个学科位于Q1区,并位列中科院分区农林类期刊一区。2019–2023年获中国科技期刊卓越行动计划重点项目资助。

图1  MeHDZ14表达分析及转基因木薯矮化表型鉴定

图2   MeHDZ14调控细胞长度影响节间距

图3   MeHDZ14通过调控赤霉素合成影响节间距

图4   MeHDZ14通过调控叶片表皮细胞形态影响叶片卷曲

图5   MeHDZ14直接调控MeCOMT1影响木质素合成

 

 

图文来源:木薯品种改良岗位团队 阮孟斌