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项目文章 | New Phytol:转录因子 PdNF-YB21 参与毛果杨干旱响应

前言

2020 年 3 月,北京林业大学夏新莉教授为通讯作者,在 New Phytologist 杂志(IF: 8.512)在线发表了题为“Root‐specific NF‐Y family transcription factor, PdNF‐YB21, positively regulates root growth and drought resistance by abscisic acid‐mediated indoylacetic acid transport in Populus”的研究论文,深入探讨了转录因子 PdNF-YB21 在毛果杨干旱响应中的作用机制。

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北京林业大学周扬颜为第一作者,文章中酵母文库实验由欧易生物完成。

 

研究背景

干旱是制约植物生长和产量的主要环境因素。NF-Y 是一类转录因子,由 NF-YA、NF-YB 和 NF-YC 3 个亚基构成。研究表明,单个 NF-Y 亚基广泛参与植物生长、发育和应激响应调节以及 ABA 信号传导中。根系生长控制在植物对干旱胁迫的适应中起着重要的作用,拟南芥和玉米中的研究表明,NF-Y 家族成员可以通过调节植物根系生长和 ABA 信号传导提高植物抗旱性和产量,但这种调控的潜在分子机制仍不清楚。

 

研究内容

本研究从毛果杨中分离出一个根特异性转录因子 PdNF-YB21,通过过表达和敲除实验表明,PdNF-YB21 可以促进根的生长并改变根的结构,使木质素累积增加、木质部导管增大,提高根部的导水率,进而增强了抗旱能力。通过酵母双杂交筛选实验,PdNF-YB21 可以与转录因子 PdFUS3 直接结合,PdFUS3 又可以直接激活 ABA 合成关键基因 PdNCED3,导致根中 ABA 含量的显著增加,最终引起生长素在根中的转运,促进了根的生长和结构改变。本研究表明 NF-YB21-FUS3-NCED3 在生长素调节的杨树根系生长对干旱的反应中起着重要的作用。

 

研究结果

1. 根特异性转录因子 NF-YB21 的鉴别和克隆

毛果杨中 NF-YB 家族共包含 21 个成员,为了筛选干旱胁迫相关的根特异性转录因子,对 21 个 NF-YB 成员分别进行了 RT-PCR 检测。结果显示,PdNF-YB21 在根组织中高表达,并且其在 ABA、PEG 渗透和干旱胁迫后表达量显著上升。亚细胞定位实验显示 PdNF-YB21 主要分布于细胞核中。并且 GFP 荧光报告实验表明,干旱胁迫和 ABA 处理可以诱导 pdNF-YB21 的表达。

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图片说明:PdNF-YB21 在不同组织以及不同处理条件下的 RT-PCR 检测结果


 

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图片说明:PdNF-YB21 的亚细胞定位结果

 

2. PdNF-YB21 调控根的生长和结构

为了研究 PdNF-YB21 在干旱胁迫响应中的作用,分别构建了 PdNF-YB21 过表达和缺失突变体。结果表明,过表达 PdNF-YB21 能够促根的生长、木质部的高度木质化、以及导管直径增大,提高了根部的导水率(RHC),从而增强抗旱性。相反,缺失突变体 pdnf-yb21 材料根部生长明显减弱,抗旱水平也明显降低。

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图片说明:PdNF-YB21 对根的影响

 

3. PdNF-YB21 与 PdFUS3 互作

为了研究 PdNF-YB21 在干旱胁迫响应中的作用机制,通过酵母双杂交实验进行了互作蛋白的筛选,结果显示 PdFUS3 与 PdNF-YB21 存在相互作用,并且通过 pull-down、BiFC 实验证实两者之间存在着直接的结合。RT-PCR 显示 PdFUS3 在根中高表达、在 PdNF-YB21 过表达突变体中表达量上升。

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图片说明:a) b) RT-PCR 检测 FUS3 的表达量;c) 酵母文库筛选与 PdNF-YB21 互作的蛋白;d) e) GST pull-down 和 BiFC 验证 PdNF-YB21 与 PdFUS3 的结合

 

4. PdFUS3 激活 PdNCED3 的表达

FUS3 是一个转录因子,可以正向调控拟南芥种子中 ABA 的生物合成,并且通过 SnRK1 磷酸化受到 ABA 信号的调控。利用 GFP 荧光报告实验表明,转录因子 PdFUS3 可以识别 PdNCED3基因(它是 ABA 合成关键基因)的启动子区域。在瞬转了 PdFUS3 毛果杨根组织中,PdNCED3 表达量也显著上升。

 

干旱条件下,PdFUS3 表达量在 PdNF-YB21 过表达突变体中显著上升,但在缺失突变体中上升不明显,表明 PdFUS3 受到 PdNF-YB21 的诱导。干旱条件下,PdNCED3 表达量也上升,并且瞬转实验表明 PdNCED3 的表达量改变依赖于 PdFUS3 + PdNF-YB21。

 

在 PdNF-YB21 过表达突变体中,PdNCED3 表达量和 ABA 水平显著上升,特别是在干旱条件下;而缺失突变体中趋势与之相反。

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图片说明:a) ABA 浓度测定;b) – f) RT-PCR 检测 PdFUS3、NCED3 及生长素转运基因PIN2/3/4 的表达量

 

5. PdNF-YB21 通过 ABA 介导的生长素转运促进根生长

为了研究 PdNF-YB21 和 ABA 在根生长调控中的作用,分别利用 ABA 和氟啶酮(ABA 合成抑制剂)进行处理。在 PdNF-YB21 过表达突变体中根伸长率受到 ABA 的显著影响,而在缺失突变体中相对影响较小;相反,PdNF-YB21 过表达突变体中根伸长率受到氟啶酮的影响较小,而缺失突变体则相对更为敏感。在 PdNF-YB21 过表达突变体中,根中 ABA 浓度较高,并且根的一系列表型也发生了改变。

 

已有研究表明 ABA 可与 IAA 一起通过 PIN2、AUX1 调节根的生长,PIN2/3/4 与根尖的生长素转运有关。RT-PCR 显示,在供水充分的条件下,PIN2/3/4 表达量在 PdNF-YB21 过表达突变体中显著升高、在缺失突变体中显著下降。

 

以上结果表明,PdNF-YB21 可能通过 ABA 信号和生长素转运介导调控了根的生长与结构。

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图片说明:ABA 和氟啶酮处理下根的响应

 

研究结论

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本研究鉴别了一个新的转录因子 PdNF-YB21,它可以与 PdFUS3 相互作用,共同激活PdNCED3 的表达,引起 ABA 信号传导和生长素在根中的转运,特别是在干旱胁迫下。在杨树中过量表达 PdNF-YB21 会促进根的生长、改变根的结构,木质部导管增大、木质素累积增加,提高根部的导水率,进而提高了抗旱能力。PdNF-YB21 有望作为干旱/非干旱条件下改良杨树和其他物种木材质量与产量的靶标之一。

 

参考文献

Zhou Y, Zhang Y, Wang X, et al. C Root‐specific NF‐Y family transcription factor, PdNF‐YB21, positively regulates root growth and drought resistance by abscisic acid‐mediated indoylacetic acid transport in Populus. New Phytol 2020; 227(2): 407-426.
 

END 
 

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