南京农业大学教授以通讯作者身份在植物学领域知名期刊《Plant Physiology》上发表研究成果，在萝卜肉质根耐热性状形成机制方面取得新进展

近日，南京农业大学作物遗传与种质创新利用全国重点实验室/园艺学院萝卜遗传与种质创新利用团队在植物学领域知名期刊《Plant Physiology》上发表了题为“The RsWRKY18-RsHSFA2 module confers thermotolerance by activating RsHSP22 during taproot thickening in radish”的研究论文，揭示了RsWRKY18与RsHSFA2协同增强萝卜耐热性与肉质根膨大的分子机制。南京农业大学作物遗传与种质创新利用全国重点实验室/园艺学院、生物育种钟山实验室在读博士生李景雪为第一作者，柳李旺教授为通讯作者。

萝卜是十字花科萝卜属重要根菜类蔬菜，营养丰富，食疗价值高。萝卜性喜冷凉气候、不耐热，全球气候变暖导致的夏季高温天气频发、持续时间延长，已成为制约萝卜夏季和早秋栽培的主要非生物胁迫因子。高温会破坏萝卜植株的光合作用与呼吸作用平衡，导致活性氧（ROS）爆发，引发膜脂过氧化和细胞结构损伤。此外，高温直接干扰肉质根的次生生长，影响形成层细胞的分裂活性、木质部与韧皮部的分化平衡，以及薄壁细胞的膨大与物质积累，从而导致肉质根形态异常、木质素合成加剧、糖分代谢失调和硫代葡萄糖苷代谢变化。

目前对萝卜高温胁迫的研究多集中于地上部叶片（如光合作用、抗氧化酶系统等），而对地下部肉质根的特异性响应机制（如膨大相关基因调控、次生代谢物积累变化等）认知有限。因此，高温胁迫下肉质根响应的关键基因及调控网络分析成为解析耐热性状形成机制的重要策略。但目前关于萝卜如何在高温协调“防御应答”与“生长发育”的分子调控网络尚不清楚。

该研究基于比较蛋白质组学分析鉴定出受热诱导的热激蛋白RsHSP22，亚细胞定位实验表明其定位于线粒体中。进一步研究发现，其启动子中包含多个W-box元件和一个HSE元件，活性分析表明，HSE元件的缺失或突变会减弱热胁迫下GUS和LUC的活性。同时，上游四个W-box元件的缺失也略微降低了热胁迫下RsHSP22启动子的活性，这表明含W-box元件的启动子可能增强RsHSP22对热胁迫的响应（图1）。利用酵母单杂交（Y1H）、双荧光素酶报告基因实验（DLA）和凝胶迁移阻滞电泳（EMSA）等生化技术分析表明，RsWRKY18与RsHSFA2分别通过特异性结合RsHSP22启动子上的W-box元件（TTGACC）和HSE元件(TTCATCTGAAATTC)激活其表达。

图1 RsHSP22的鉴定和启动子活性分析

表型分析表明，与对照植株相比，40℃处理下，过表达RsWRKY18植株耐热性升高，而沉默RsWRKY18的萝卜植株肉质根膨大明显受阻（图2）。进一步Y1H、DLA分析表明，RsWRKY18可激活肉质根膨大相关基因RsXTH32、RsEXPA9、RsKNAT1和RsWOX14表达。Y2H、LCI、BiFC、Pull-down分析表明，RsWRKY18与RsHSFA2在植物体内体外存在蛋白互作。竞争性EMSA分析表明，RsWRKY18可增强高温胁迫下RsHSFA2对RsHSP22基因的激活能力（图3）。

图2 沉默RsWRKY18减弱萝卜耐热性和肉质根膨大

图3 RsHSFA2和RsWRKY18协同调控萝卜耐热性

基于以上分析，提出RsWRKY18-RsHSFA2协同增强萝卜肉质根耐热性的遗传机制：当萝卜遭受高温胁迫时，RsWRKY18与RsHSFA2被迅速诱导并发生蛋白互作，共同靶向热激蛋白基因RsHSP22以增强植株耐热性；同时，RsWRKY18单独靶向其依赖的RsXTH32、RsEXPA9等肉质根膨大相关基因，从而协同调控萝卜的耐热性与肉质根发育。在高温条件下，耐热基因型‘NAU-XBC’和热敏基因型‘NAU-YB’中RsHSFA2、RsWRKY18、RsHSP22转录水平的差异决定了其耐热性不同（图4）。

图4 RsWRKY18-RsHSFA2协同增强萝卜耐热性的模式图

综上所述，本研究解析了RsWRKY18-RsHSFA2模块通过靶向热激蛋白基因和发育相关基因，协同调控萝卜耐热性与肉质根发育的分子机制，研究结果为萝卜耐热性状遗传改良与优异种质创新提供了重要的分子靶标与理论基础。

论文发表同期，《Plant Physiology》在其News and Views专栏发表了由斯坦福大学Héctor H. Torres Martínez博士撰写的题为‘In the thick of it: radish thermotolerance and root development under heat shock’的专文评述，指出该项研究揭示了在萝卜中连接热胁迫响应与肉质根膨大的转录调控模块，为根茎类作物耐热高产分子育种提供了重要靶点和理论依据。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag007