Mol Plant | 中国农业大学杨淑华团队与董朝斌团队合作揭示热休克转录因子HSF21调控玉米耐冷性的分子机制

责编 | 王一

低温胁迫是一种普遍存在的逆境胁迫，会影响植物生长发育、限制经济作物种植分布以及威胁粮食作物全球产量。玉米(Zea mays L.) 是一种起源于热带的粮食作物，对低温胁迫十分敏感，我国玉米主产区经常遭受低温寒害的影响，这极大威胁了玉米的生长发育及其产量，因此，研究玉米耐冷性的分子机制以及挖掘有效的自然变异，可以为培育耐冷玉米提供基因资源和分子理论基础，对提高作物的适应性和生产力、缓解极端温度造成的作物减产具有重要意义。目前，对于玉米耐冷性关键基因挖掘、玉米低温胁迫应答分子和遗传基础相关研究仍然处于初步阶段。

近日，中国农业大学生物学院杨淑华团队与农学院董朝斌团队合作在Molecular Plant杂志上发表了题为“Genetic variation of a heat shock transcription factor modulates cold tolerance in maize”的研究论文，揭示了玉米热休克转录因子HSF21正调控玉米耐冷性的分子机制，发现该基因在调控玉米低温下脂代谢稳态的关键作用及其自然变异对玉米耐冷性差异的重要贡献，为培育耐冷高产玉米品种提供了优良的基因资源。

该研究通过统计玉米自然群体中不同纬度来源的213份玉米自交系在低温处理后的叶片相对损伤面积，利用全基因组关联分析的方法，鉴定出24个显著关联的SNP位点，分布在玉米7条染色体上，共定位到14个候选基因。其中，与玉米冷表型最显著关联的SNP (P = 1.15×10-7) 位于候选基因HSF21的启动子区，该基因编码B类热休克转录因子。HSF21转基因过表达株系在玉米萌发期和苗期都具有很强的耐冷性，而hsf21突变体植株无论是萌发期还是苗期都表现出对低温敏感的表型。

通过对同一群体的460份玉米自交系进行重测序，发现HSF21启动子区的一个SNP (-683) 和一个InDel5 (-693) 的自然变异与玉米自交系耐冷性显著相关，并且这两个自然变异位点高度连锁 (r2=0.95)，根据二者的区别可以将玉米自交系划分为Hap1、Hap2和Hap3三种单倍型，其中Hap1型玉米自交系为优势单倍型，对应的等位基因HSF21Hap1为优势等位基因。进一步研究表明，等位基因HSF21Hap1启动子区的自然变异导致了一个典型的A-box (5’-TACGTA-3’) 基序的丢失，从而削弱了玉米耐冷性负调节因子bZIP68的转录抑制作用，使得等位基因HSF21Hap1低温诱导表达，从而正调控玉米耐冷性。

不同于先前的研究中成功鉴定到的ZmRR1、ZmbZIP68、ZmICE1和TIP4;3等多个关键耐冷基因 (Jiang et al., 2022; Li et al., 2022; Zeng et al., 2021; Zeng et al., 2024)，转录组分析和基因表达检测结果显示HSF21调控玉米耐冷性并不依赖于经典的DREB1/CBF低温信号通路。为了探究HSF21调控玉米耐冷中的分子机制，通过联合RNA-seq和DAP-seq分析发现HSF21直接调节玉米重要到脂代谢基因GPATs、SADs、FADs以及KCSs的基因表达水平从而调控玉米低温下脂代谢过程，进一步结合高通量的玉米脂质组分析揭示HSF21是调控玉米低温胁迫下脂代谢稳态的关键基因，控制着低温下不饱和脂质的代谢平衡，证实HSF21正调控玉米耐冷性是通过维持玉米低温胁迫下脂代谢稳态来实现的。最后，研究人员发现过表达HSF21不仅能够增强玉米耐冷性，还能够显著提高玉米田间产量。

综上所述，该研究通过正向遗传学鉴定一个关键的玉米耐低温基因HSF21，该基因存在优良的等位变异HSF21Hap1，通过解除玉米耐冷性负调控因子bZIP68的转录抑制作用实现HSF21基因的低温诱导表达从而有利于维持玉米在低温下的脂代谢稳态进而正调控玉米的耐冷性。研究为培育耐冷高产玉米提供了理论依据和新的基因资源。

中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室杨淑华教授和施怡婷教授以及农学院的董朝斌教授为该论文共同通讯作者。杨淑华教授团队已毕业博士高磊、农学院博士研究生潘玲玲，以及施怡婷教授为该论文共同第一作者。金危危教授、杨小红教授、赖锦盛教授、巩志忠教授和王喜庆教授以及团队多名成员参与了该工作，研究工作还得到了中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒研究员的大力支持与帮助。该研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等项目的资助。

参考文献：

Jiang, H., Shi, Y., Liu, J., Li, Z., Fu, D., Wu, S., Li, M., Yang, Z., Shi, Y., Lai, J., et al. (2022). Natural polymorphism of ZmICE1 contributes to amino acid metabolism that impacts cold tolerance in maize. Nat Plants 8, 1176-1190.

Li, Z., Fu, D., Wang, X., Zeng, R., Zhang, X., Tian, J., Zhang, S., Yang, X., Tian, F., Lai, J., et al. (2022). The transcription factor bZIP68 negatively regulates cold tolerance in maize. Plant Cell 34, 2833-2851.

Zeng, R., Li, Z., Shi, Y., Fu, D., Yin, P., Cheng, J., Jiang, C., and Yang, S. (2021). Natural variation in a type-A response regulator confers maize chilling tolerance. Nat Commun 12, 4713.

Zeng, R., Zhang, X.Y., Song, G.S., Lv, Q.X., Li, M.Z., Fu, D.Y., Zhang, Z., Gao, L., Zhang, S.S., Yang, X.H., et al. (2024). Genetic variation in the aquaporin TONOPLAST INTRINSIC PROTEIN 4;3 modulates maize cold tolerance. Plant Biotechnol J doi: 10.1111/pbi.14426

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.07.015