馬鈴薯是一種重要的糧食、蔬菜和工業用途的作物，被廣泛種植和消費。然而，馬鈴薯的種植和産量受到多種因素的影響，包括生物和非生物脅迫。這些因素的影響可以在馬鈴薯産區造成嚴重的經濟損失。研究馬鈴薯抗逆機制有助于深入了解植物在逆境條件下的适應性和生理機制，對保障糧食供應，降低經濟損失，還為可持續農業的發展提供了科學支援。近日，華中農業大學馬鈴薯團隊在Journal of Experimental Botany、Plant Cell and Environment和The plant Journal上分别發表了題為“StHAB1, a negative regulatory factor in abscisic acid signaling, plays crucial roles in potato drought tolerance and shoot branching”、“ScAREB4 promotes potato constitutive and acclimated freezing tolerance associated with enhancing trehalose synthesis and oxidative stress tolerance”和“StMLP1, as a Kunitz trypsin inhibitor, enhances potato resistance and specifically expresses in vascular bundles duringRalstonia solanacearuminfection”的研究論文，報道了該研究團隊在馬鈴薯抗逆機制方面的研究進展。脫落酸（abscisic acid，ABA）在植物抗旱以及生長發育過程中發揮着非常重要的作用。PP2C是ABA信号傳遞途徑的關鍵酶類。A類PP2C在ABA信号途徑以及植物抗逆過程中扮演者一個負調控因子的作用。然而，A類PP2C在馬鈴薯中發揮的功能是知之甚少的。研究者對一個馬鈴薯A類PP2C基因StHAB1在馬鈴薯中的功能進行了研究。StHAB1沒有組織表達特異性，但是受到了ABA和幹旱的強烈誘導。敲低StHAB1使得馬鈴薯對ABA更敏感并且更抗旱；與之相反的是，超量表達StHAB1的功能獲得性突變體StHAB1G276D降低了植株對ABA的敏感性以及耐旱能力。研究者發現，StHAB1與所有的ABA受體PYL互作，并且與調控氣孔開閉的SnRK家族StOST1互作。StHAB1通過與StOST1互作調控氣孔的開度調節了馬鈴薯的抗旱。敲低StHAB1和超量表達StHAB1G276D都改變了馬鈴薯的植株形态（圖1）。值得注意的是，超量表達StHAB1G276D使得馬鈴薯的分枝更多，對分枝處進行取樣RNA-seq測序發現，生長素解除安裝蛋白StPIN3、StPIN5和StPIN8在StHAB1G276D超量表達植株的腋芽處被誘導表達。與此同時，生長素（auxin，IAA）的含量在超量植株的腋芽處顯著下降。但在馬鈴薯中調控分枝的關鍵基因StBRC1a的表達量在轉基因植株中沒有明顯的變化，表明StHAB1G276D調控馬鈴薯分枝是不依賴于StBRC1a的。這些發現表明StHAB1在調控馬鈴薯抗旱以及分枝中發揮着非常重要的作用。
圖1. StHAB1抗旱和植株腋芽表型統計
低溫霜凍是制約馬鈴薯生産的主要環境因素。脫落酸（ABA）可以增強許多植物物種的耐凍性，但 ABA 介導的與耐凍性相關的信号通路的有力證據仍然缺乏。在本研究中，馬鈴薯基因型的冷馴化能力随着ABA内源含量的提高而增強。進一步外源施用 ABA 及其抑制劑 (NDGA) 可以分别增強和降低馬鈴薯的冷凍耐受性。此外，分析了 ABA 信号通路下遊基因的表達模式，發現隻有 ScAREB4 在低溫和 ABA 處理後在S. commersonii(CMM5) 中特異性上調。ScAREB4超量表達的轉基因株系表現出更強的組成型和冷馴化抗寒能力。轉錄組資料分析表明，ScAREB4 的過表達誘導了 TPS9（海藻糖 6-磷酸合酶）和 GSTU8（谷胱甘肽轉移酶）的表達，這與 ScAREB4 過表達轉基因株系中 TPS 活性、海藻糖含量、GST 活性的提高以及積累的H2O2顯著減少相一緻（圖2）。綜上所述，本研究結果表明，ABA内源含量的增加與馬鈴薯的耐凍性有關。此外，ScAREB4 作為 ABA 信号傳導的下遊轉錄因子，可提高馬鈴薯的冷凍抗性，這與海藻糖含量和抗氧化能力的增加有關。豐富了ABA在植物抗凍性中的作用，為馬鈴薯抗寒育種提供了理論指導。
圖2. 冷脅迫下AREB4 調節冷凍抗性的推測模型
關于馬鈴薯青枯病抗性相關基因的挖掘工作，該團隊鑒定了一個Miraculin-like蛋白StMLP1，該蛋白屬于Kunitz胰蛋白酶抑制子家族。研究發現，在青枯菌侵染過程中，StMLP1的表達水準逐漸升高。對其啟動子進行分析和鑒定發現StMLP1的啟動子是一個兼具響應青枯菌侵染的誘導型和在維管束中特異表達的組織特異型啟動子（圖3）。此外，StMLP1表現出胰蛋白酶抑制劑活性，并且其信号肽對于StMLP1蛋白在正确的定位上行使功能至關重要。對于StMLP1的抗性功能研究，該團隊發現在馬鈴薯中過表達StMLP1可以增強對青枯菌的抗性，但是抑制青枯菌侵染過程中StMLP1的表達在一定程度上加速了青枯菌的侵染。RNA-seq分析表明StMLP1對馬鈴薯的免疫具有一定的調控作用。該研究對StMLP1的功能進行了系統性的鑒定，并挖掘了具有良好應用前景的誘導型群組織特異型啟動子，豐富馬鈴薯免疫調控的理論基礎。
圖3. StMLP1的啟動子誘導型群組織特異型鑒定
發表于Journal of Experimental Botany雜志的研究，劉騰飛博士和已畢業的董烈鵬碩士共同擔任第一作者，宋波濤教授為通訊作者；發表于Plant Cell and Environment雜志的研究，博士研究所學生劉田田為第一作者，宋波濤教授擔任通訊作者；發表于The plant Journal雜志的研究，王炳森博士和已畢業的王玉琦碩士為共同第一作者，陳惠蘭教授和宋波濤教授擔任該論文共同通訊作者。
該系列研究均由果蔬園藝作物種質創新與利用全國重點實驗室/農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室發表，并得到國家自然科學基金（31871683、32101781、32201789）、現代農業産業技術研究體系（CARS-09）專項資金以及廣東省重點領域研發計劃（2022B0202060001）。
華中農業大學馬鈴薯團隊是農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室和湖北省馬鈴薯工程技術研究中心等省部級研究平台的依托機關，也是果蔬園藝作物種質創新與利用全國重點實驗室和國家蔬菜改良中心華中分中心的重要組成部分。團隊現有在職教師7人，其中教授3人、副教授3人、進階農藝師1人，博士後6人，現有60餘名博士和碩士研究所學生參與課題研究。
圍繞産業發展的重大科學與技術問題，開展應用基礎與共性技術研究，經過20多年的努力，形成了馬鈴薯種質資源創新、重要性狀功能基因組、遺傳育種、種薯繁育和農機農藝融合等優勢研究領域。團隊收集儲存了馬鈴薯野生種、栽培種和種間雜種等各類資源2000餘份；系統完成了馬鈴薯資源晚疫病、青枯病、病毒病等抗性鑒定及抗寒性和品質性狀評價；建立了原生質體融合技術平台，獲得首批抗青枯病、抗寒種間體細胞雜種，創造出了一批具有抗性突出、遺傳背景廣泛的親本材料；開展了塊莖發育、低溫糖化和抗寒等重要性狀形成分子與遺傳機制解析，揭示了晚疫病、青枯病和病毒病等植株抗性形成的遺傳基礎和植物-病原互作的分子機制，建立了相應的分子标記輔助選擇體系，為抗性改良和育種技術創新提供了理論支撐和技術平台；提出了塊莖發育的分子生理機制，發明了試管薯高效生産技術，創新了種薯繁育體系；建立了馬鈴薯南方馬鈴薯“深溝寬壟全覆膜”機械化栽培技術。育成新品種22個，獲植物新品種權5項，獲國家發明專利20餘項，獲湖北省科技進步一等獎、湖北省技術發明一等獎、農業部全國農牧漁業豐收一等獎等科技獎項，發表學術論文300餘篇。
文章連結：
https://doi.org/10.1093/jxb/erad292
https://doi.org/10.1111/pce.14707
https://doi.org/10.1111/tpj.16428
原文連結：https://mp.weixin.qq.com/s/D8y9j-VJMgis2ldDiNvhug
我校學者在揭示楊樹愈傷組織形成調控機制的研究中取得突破_科學研究_新聞_南湖新聞網 (hzau.edu.cn)