中国农科院作科所研究团队揭示大豆耐干旱和盐胁迫的调控新机制

责编 | 王一

干旱和盐胁迫严重影响大豆的发育，导致大豆产量损失重大。然而，由于抗逆性状的复杂性以及产量影响因素的多样性，致使大豆性状的改良面临着巨大的挑战。植物脱落酸（ABA）信号途径在植物抗逆过程中发挥着重要作用。近年来研究发现，植物核因子Y（NF-Y）转录因子在胚胎形成、光合作用、根的生长、开花时间调控、逆境胁迫响应等诸多方面起重要作用。然而，关于NF-Y、ABA与植物抗逆性之间的关系目前尚不清楚。

近日，中国农业科学院作科所转基因技术和应用创新团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了来自题为The NF-Y-PYR module integrates the abscisic acid signal pathway to regulate plant stress tolerance的研究论文，报道了大豆中的一个NF-Y-PYR模块在调控大豆干旱和盐胁迫中的分子机制，研究结果对于培育抗逆大豆品种具有重要意义。

研究人员通过分析大豆干旱RNA-seq数据发现，NF-Y家族转录因子基因在干旱胁迫下的表达发生了显著变化，其中多个NF-YC亚基基因的表达水平上调显著。表达模式分析进一步发现，大豆NF-YC亚基家族成员GmNF-YC14在干旱、盐胁迫以及ABA处理下能够同时被显著诱导上调表达。因此，GmNF-YC14基因被选出进行深入研究。研究人员利用农杆菌介导的稳定遗传转化技术，将GmNF-YC14导入大豆基因组中创制了过表达植株。同时为了进一步分析GmNF-YC14基因在大豆响应非生物胁迫中的作用，研究人员构建了CRISPR/Cas9介导的GmNF-YC14基因编辑大豆突变体材料，并筛选到两个不同位点突变的突变体材料，其中，Gmnf-yc14-KO1突变体在PAM位点前3个碱基处丢失了2个AC碱基，Gmnf-yc14-KO2突变体在PAM位点前4个碱基处丢失5个碱基CGATA，且最终导致氨基酸序列发生改变 （图1） 。

随后，研究人员在不同的大豆生长时期对突变体以及过表达材料进行抗逆性鉴定。结果显示，在大豆幼苗阶段，CRISPR/Cas9诱导的Gmnf-yc14突变体在干旱处理第5天开始枯萎 （图1c） 。在浇水3天后，野生型和过表达大豆幼苗恢复，但突变体植株严重脱水，无法恢复 （图1d） 。盐处理3天后，Gmnf-yc14突变体和野生型植株开始枯萎，并在第5天严重萎蔫 （图1e和1f） 。尽管转基因大豆GmNF-YC14在盐处理5天后部分叶片开始枯萎，但它们依旧能维持良好的生长状态 （图1f） 。对突变体、野生型和过表达植株的生物量测定的结果表明，在干旱和盐胁迫下，过表达GmNF-YC14幼苗的生物量高于突变体和野生型 （图1g-k） 。

图1 不同大豆材料在苗期的抗逆性鉴定

研究人员在大豆开花期进一步评价GmNF-YC14基因突变体、野生型和过表达植株的耐旱性和耐盐性，该结果与幼苗期的结果一致 （图2a） 。生理生化指标分析表明，在干旱和盐胁迫条件下转基因GmNF-YC14植株与野生型和突变体相比，具有高的脯氨酸含量以及低的丙二醛 （MDA） 含量 （图2b-e） 。该结果暗示与野生型和突变体相比，转GmNF-YC14基因植株具有较强的抗逆性。同时，成熟期抗逆性鉴定显示，在干旱条件下，GmNF-YC14过表达植单株产量提高，籽粒饱满度良好，且具有强壮的茎基部 （图2g-k） 。这进一步支持了GmNF-YC14转基因大豆比突变体和野生型植株具有更强的抗旱性。

图2 不同大豆材料在开花期和成苗期的抗逆性鉴定

该研究还发现，GmNF-YC14能够与GmNF-YA16和GmNF-YB2互作形成异源三聚体来调控大豆的耐逆性 。 为了解析GmNF-YC14基因介导的转基因大豆的抗逆机制，研究人员对转基因和野生型大豆材料进行了转录组测序分析。结果显示，转GmNF-YC14基因大豆中一些“响应外界胁迫刺激”和“激素信号转导通路”基因被富集并上调表达 。进一步分析发现，在转基因大豆植株中，ABA受体PYR/PYL基因 （GmPYR1） 介导的ABA信号传导途径被显著增强 。

综上所述，GmNF-YC14在大豆植株中能够与GmNF-YB2和GmNF-YA16互作，形成一个完整的、有活性的NF-Y转录复合体，且该复合体在干旱胁迫下能够调控ABA受体PYR/PYL基因介导的ABA信号传导途径来增强植物的抗逆性 （图3） 。该研究扩展了我们对植物NF-Y转录因子功能的认知，并提出了有关植物中ABA信号通路整合的重要问题。此外，GmNF-YC14和GmPYR1基因在提高大豆植株耐逆性方面具有潜在的应用前景。

图3 大豆NF-Y转录复合体调控植物抗逆模式图

中国农业科学院作物科学研究所马有志研究员和徐兆师研究员为该论文的通讯作者，博士后于太飞、博士生刘英、付金东研究员和吉林农业大学农学院马建教授为本文的共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划项目 、中国博士后科学基金 、中国农业科技创新计划 和中央公益事业科研机构基础研究基金 的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13684