Plant Physiol | 河北农业大学肖凯团队揭示转录因子TabZIP12协同ABA信号...

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

全球气候变化加剧导致干旱胁迫频发，严重制约着小麦等粮食作物的产量与品质，对全球粮食安全构成了严峻威胁。脱落酸（ABA）作为植物应对水分胁迫的核心逆境激素，在感知土壤水分亏缺并介导全株生理适应中发挥关键作用。在拟南芥和水稻等模式植物中，由ABA受体PYL、蛋白磷酸酶PP2C和蛋白激酶SnRK2构成的“PYL–PP2C–SnRK2”核心信号通路已被广泛阐明。激活的SnRK2激酶能够磷酸化下游转录因子，进而开启抗逆基因表达网络。在植物各类转录因子中，碱性亮氨酸拉链（bZIP）家族成员是ABA信号传导下游最核心的效应蛋白之一，参与气孔开闭、渗透平衡调节、活性氧（ROS）清除及根系重塑等生理过程。然而，在遗传背景极为复杂的异源六倍体普通小麦（Triticum aestivum L.）中，bZIP转录因子如何精准整合上游ABA磷酸化级联信号，并直接指挥下游功能基因网络以赋予植株耐旱性的分子机制，此前仍缺乏系统深入的解析。

论文概要

河北农业大学农学院/华北作物改良与调控国家重点实验室肖凯教授团队在国际植物学权威期刊Plant Physiology发表题为“Transcription Factor TabZIP12 Orchestrates the ABA Signaling Pathway to Regulate Drought Tolerance in Wheat (Triticum aestivum L.)”的研究论文。该研究通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）与深度学习算法，鉴定了受干旱和ABA强烈诱导的核心转录因子TabZIP12；系统解析了其与上游元件构成的“TaPYL1–TaPP2C50–TaSnRK2.6–TabZIP12”级联信号转导模块；阐明了TabZIP12通过直接结合并激活TaSLAC1-4、TaP5CS1、TaPIN3、TaNCED3和TaAPX6等效应基因，全方位调控气孔运动、脯氨酸积累、根系发育、ABA生物合成和ROS清除的分子机制；并在小麦自然群体中鉴定了与干旱抗性及产量显著正相关的优异单倍型TabZIP12-Hap1，为小麦节水抗旱分子育种提供了重要基因资源与理论支撑。

主要研究结果介绍

1. WGCNA结合深度学习挖掘干旱响应核心转录因子TabZIP12

研究人员利用小麦干旱胁迫转录组数据开展加权基因共表达网络分析（WGCNA），锁定了与干旱抗性高度正相关的核心模块（MEgreen，相关系数 ）（图1a、1b）。基因本体（GO）富集分析表明，该模块显著富集于缺水响应和脯氨酸生物合成等途径（图1c）。网络拓扑分析筛选出模块内的核心枢纽基因TabZIP12（TraesCS3B01G411300）（图1d）。在包含200份小麦种质的表达谱检测中，TabZIP12在干旱胁迫下均发生持续显著的上调表达（图1e、1f）。

结合转录因子反式激活结构域预测的深度学习模型TADA分析显示，TabZIP12蛋白N端的内在无序区（IDR）具有高活性的转录激活结构域（AD），富含酸性与芳香族氨基酸残基，符合“酸性暴露”共激活因子招募构型；其C端则具备保守的bZIP DNA结合结构域（aa 170–216）（图1g、1h）。亚细胞定位实验证实TabZIP12-GFP融合蛋白特异定位于细胞核（图2a）。启动子顺式作用元件预测及5′端缺失突变体驱动的GUS报告基因活性分析表明，包含ABRE和MYB结合位点的远端启动子全长区段（D5，1912 bp）在干旱和外源ABA诱导下驱动活性最强，说明其启动子自身即作为整合逆境信号的关键转录调控元件（图2b–2i）。

2. 组装“TaPYL1–TaPP2C50–TaSnRK2.6–TabZIP12”经典ABA线性级联模块

基于AlphaFold-Multimer复合物结构预测，研究人员发现ABA信号关键组分TaPYL1、TaPP2C50、TaSnRK2.6与TabZIP12之间存在极高的互作置信度（图3a）。随后，综合运用酵母双杂交（Y-2H）、双分子荧光互补（BiFC）、体内共免疫沉淀（Co-IP）和体外Pull-down实验，确证了TaPYL1与TaPP2C50、TaPP2C50与TaSnRK2.6，以及TaSnRK2.6与TabZIP12两两之间存在直接且连续的物理互作（图3b–3e）。

结构域截短互作分析进一步明确了模块内精准的“分子对接位点”：TaPYL1中间激活区（aa 71–140）结合TaPP2C50中间催化结构域（aa 106–324）；TaPP2C50中间区结合TaSnRK2.6中间激酶区（aa 120–240）；而TaSnRK2.6的激酶区则特异结合TabZIP12含有核定位信号的C端区域（aa 169–250）。这一生化层级清晰勾勒出普通小麦中顺次传递逆境信号的完整ABA转导轴心。

3. 信号模块协同调控小麦生理抗逆性与大田产量

为明确该模块的生物学功能，研究人员创制了包含该模块全部4个成员的过表达（OE）与敲低（KO）转基因小麦株系（石麦26背景）。盆栽与大田试验结果表明，在正常水分条件下各株系农艺表型无显著差异；而在干旱胁迫下，TaPYL1-OE、TaSnRK2.6-OE、TabZIP12-OE以及TaPP2C50-KO株系均表现出极显著的耐旱表型提升，其单株生物量、旗叶面积、穗长、单穗粒数、千粒重以及最终籽粒产量均显著优于野生型（WT）；相反，TaPYL1-KO、TaSnRK2.6-KO、TabZIP12-KO及TaPP2C50-OE株系则对干旱表现出极度敏感与减产（图4a–4f、图5a–5f）。

深入的生理生化指标测定揭示了耐旱表型背后的协同适应机制：在干旱或渗透胁迫下，耐旱基因型株系（TabZIP12-OE等）表现出更快的叶片气孔关闭速率（SCR）与更低的失水速率（WLR）（图6a–6c）；体内渗透调节物质（脯氨酸、可溶性糖和甜菜碱）显著累积；超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）及过氧化物酶（POD）活性大幅上升，使得丙二醛（MDA）、过氧化氢（H₂O₂）和超氧阴离子（O₂⁻）积累量显著降低，缓解了氧化损伤（图6d–6g）；同时维持了较高的叶绿素含量、净光合速率（Pn）及PSII最大光化学效率（ΨPSII）。这表明TabZIP12介导的正向信号模块通过协调气孔闭合、渗透平衡、抗氧化防御及光合保护等多重生理通路增强耐旱性。

4. TabZIP12直接激活五大效应基因构建抗旱核心调控子

为阐明TabZIP12介导逆境响应的下游靶标，研究人员对慢阴离子通道（SLAC1）、吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）、生长素输出载体（PIN）、类胡萝卜素双加氧酶（NCED）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等抗逆基因家族展开筛选，发现TaSLAC1-4、TaP5CS1、TaPIN3、TaNCED3和TaAPX6等5个基因的表达量在TabZIP12-OE株系中显著上调，在KO株系中显著下调（图7a）。

酵母单杂交（Y-1H）和烟草双荧光素酶报告实验（Dual-LUC）证实，TabZIP12能够特异性结合上述5个候选基因启动子中的ABRE或DRE顺式作用元件，并强烈启动下游转录（图7b–7k）；凝胶电泳迁移实验（EMSA）进一步在体外生化水平证实了重组TabZIP12蛋白与上述靶基因启动子探针的直接物理结合（图7l）。

为证实靶基因的功能必需性，研究人员分别创制了5个效应基因的反义RNA敲低株系。大田与室内表型检测显示：TaSLAC1-4-KO株系气孔关闭受阻、蒸腾失水加剧；TaP5CS1-KO株系脯氨酸合成受阻、生物量骤降；TaPIN3-KO株系根系伸长和根体积发育不良；TaNCED3-KO株系相对含水量下降、电解质渗透率骤增；TaAPX6-KO株系APX活性降低并伴随H₂O₂过度积累（图8a–8p）。这些表型缺失直接证明该5个基因是执行TabZIP12多维防御网络的关键功能效应器。

5. 自然变异与优异单倍型TabZIP12-Hap1赋予优良抗旱高产性状

研究团队在包含73份不同抗旱背景的小麦自然群体中进行了相关性分析。结果表明，在灌浆期干旱胁迫下，TabZIP12及其5个直接下游效应基因的转录水平在耐旱品种中均显著高于干旱敏感品种，且各基因表达量与单株生物量及最终籽粒产量呈现强烈的线性正相关（图9a–9j）。

启动子及编码区序列变异分析将自然群体归纳为两大主要单倍型：TabZIP12-Hap1与TabZIP12-Hap2（图10a）。携带TabZIP12-Hap1的小麦品种表现出更加优越的分子特征与农艺表型：其负调控因子TaPP2C50表达下调，而正调控组分（TaPYL1、TaSnRK2.6、TabZIP12）及5个效应基因的表达全线上调（图10b）；在大田干旱胁迫下，TabZIP12-Hap1品种的单株生物量、根系生物量、脯氨酸含量、单穗粒数、千粒重及最终籽粒产量均显著高于TabZIP12-Hap2品种（图10c–10h）。序列溯源发现，该优异单倍型与启动子区MYB结合元件附近的保守SNP紧密连锁，显示出极高的分子育种应用潜力。

全文总结与展望

本研究系统解析了普通小麦中转录因子TabZIP12协同ABA信号通路应对干旱逆境的全链条分子作用机制，并提出了完整的应答工作模型：在水分亏缺条件下，胞内积累的ABA被受体TaPYL1结合，解除TaPP2C50对蛋白激酶TaSnRK2.6的抑制作用；被激活的TaSnRK2.6通过直接物理互作激活转录因子TabZIP12；TabZIP12作为核心分子开关，直接结合并同步反式激活五大效应靶基因（TaSLAC1-4促气孔关闭、TaP5CS1催化脯氨酸合成、TaPIN3优化根系构型、TaNCED3正反馈维持ABA合成、TaAPX6高效清除ROS），构建起多层次、立体化的干旱防御网络。

该研究从“受体–磷酸酶–激酶–转录因子–功能效应基因”这一完整的线性轴线上打通了小麦抗逆信号传导的脉络，不仅在理论上拓展了多倍体作物bZIP转录因子介导非生物胁迫应答的网络层级，更在应用层面发掘了兼具高抗旱性与高产潜力的优异等位变异TabZIP12-Hap1。所开发的分子标记和鉴定的调控元件可直接应用于小麦分子标记辅助选择（MAS）育种或CRISPR启动子定向编辑，为培育高产、稳产且节水的“气候智慧型”小麦新品种提供了宝贵的基因资源与工程化改良策略。

研究团队与资助

该论文的第一作者为河北农业大学农学院Xiaoyang Hou博士，通讯作者为河北农业大学肖凯教授。该研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFD1200202，肖凯主持）、河北省自然科学基金（项目编号：C2024204059）以及河北省研究生创新能力培养项目（项目编号：CXZZBS2024082）的资助。

DOI链接： https://doi.org/10.1093/plphys/kiag771