JIPB | 农学院何绍贞/张欢课题组揭示泛素化修饰参与调控甘薯耐盐抗旱性的分子机制

2024 年 1 月 31 日，中国农业大学何绍贞/张欢课题组在 Journal of Integrative Plant Biology 杂志上在线发表了题为 "IbNIEL-mediated degradation of IbNAC087 regulates JA-dependent salt and drought tolerance in sweet potato" 的研究论文，揭示了泛素化修饰参与调控甘薯耐盐抗旱性的分子机制。

盐旱胁迫对农作物产量造成严重影响。甘薯作为重要的粮食、饲料和新型能源作物，鉴定关键的耐盐抗旱基因并进行分子设计育种，培育耐盐碱甘薯新品种，对于充分利用广阔的盐碱贫瘠土地资源、保障粮食安全具有重要意义。先前的研究指出，JA 信号转导途径在甘薯耐盐品系 ND98 中发挥关键作用，但其内在的分子调控机制尚未被揭示。在甘薯中，关于转录和转录后修饰过程对非生物胁迫响应的调控机制仍然不明确。

该研究团队基于对多个 RNA-seq 数据进行重新分析，筛选到一个盐旱胁迫下在抗性甘薯种质中均高表达的 NAC 家族转录因子 IbNAC087 。荧光定量分析发现，IbNAC087 在叶片中高表达，且经 NaCl、PEG、和 JA 处理后，IbNAC087 在耐盐品系 ND98 中的诱导上调表达倍数显著高于盐敏感品种 Lizixiang。推测 IbNAC087 可能作为抗逆甘薯种质中共有的盐旱应答核心基因参与调控甘薯的耐盐抗旱性。经离体、盆栽、旱池等多种抗性鉴定实验发现，过表达 IbNAC087 转基因甘薯植株的耐盐抗旱性显著提高，而干扰植株的表型则相反。通过对生化指标进行测定发现，过表达 IbNAC087 转基因甘薯植株中 JA 含量和 ROS清 除系统中关键酶的酶活均显著提高。

对 IbNAC087 转基因植株中 JA 生物合成相关关键基因的表达水平进行测定发现，在盐旱处理后，IbLOX 和 IbAOS 在 IbNAC087 过表达植株中显著上调表达，而在 RNAi 植株中下调表达。基于 IbLOX 和 IbAOS 的启动子上含有 NAC 蛋白结合的顺式作用元件，通过 Y1H、Chip-qPCR、EMSA 和荧光素酶报告实验验证 IbNAC087 可直接结合在 IbLOX 和 IbAOS 的启动子上并激活其表达。进一步研究发现，在 NaCl 和 PEG 处理下，外施 MeJA 可促进过表达 IbNAC087 植株的气孔关闭，并降低 ROS 的积累。以上实验结果表明，IbNAC087 通过促进 JA 的生物合成促进盐旱胁迫下的气孔关闭和 ROS 清除，进而提高甘薯的耐盐抗旱性。

为了进一步探究 IbNAC087 调控甘薯耐盐抗旱性的内在机制，通过 Y2H 筛选 IbNAC087 的互作蛋白。结果发现 RING 型 E3 泛素连接酶 IbNIEL 在酵母细胞内和植物体内均与 IbNAC087 互作，并且促进了由 26S 蛋白酶体途径介导的 IbNAC087 蛋白的降解，降低了 IbNAC087 蛋白的积累，进而减弱了 IbNAC087 对 JA 合成关键基因 IbLOX 和 IbAOS 的转录激活作用。

为了鉴定 IbNIEL 的基因功能，在甘薯中过表达 IbNIEL 并对转基因甘薯植株进行抗性鉴定，发现无论在正常条件，还是在胁迫处理后，过表达 IbNIEL 转基因植株的长势均弱于对照植株，且在胁迫条件下，过表达植株长势的受抑制程度高于对照，这表明 IbNIEL 在甘薯抵抗盐旱胁迫过程中起负调控作用。

结论与讨论 

综上所述，该研究提出 IbNIEL - IbNAC087 模块在调节甘薯非生物胁迫抗性中的作用模型：盐旱胁迫抑制了 IbNIEL 的转录，减弱了 IbNIEL 对 IbNAC087 的泛素化修饰，由 26S 蛋白酶体途径介导的降解减少，IbNAC087 蛋白积累增多，IbNAC087 直接靶向并激活 IbLOX 和 IbAOS 的表达并促进 JA 生物合成，进而促进胁迫处理下的气孔关闭和 ROS 清除，提高甘薯的耐盐抗旱性。

中国农业大学农学院甘薯生物学与生物技术重点实验室 何绍贞 教授和 张欢 副教授为该论文通讯作者，课题组博士后 李旭、已毕业博士生 王祯 和 孙思凡 为该论文的共同第一作者。感谢 刘庆昌 教授、翟红 教授、田丰 教授、高少培 副教授、赵宁 高级实验师对该工作进行了指导和帮助！

本研究得到了中国农业大学三亚研究院的大力支持和帮助，获得了国家重点研发计划、北京自然科学基金、粮食作物产业技术体系北京市创新团队、三亚崖州湾科技城管理局“菁英人才”科技专项、国家甘薯产业技术体系、中国农业大学基本科研业务费专项等项目的资助。