A late embryogenesis abundant protein HVA1 regulated by an inducible promoter enhances root growth and abiotic stress tolerance in rice without yield penalty
- 作者
- Yi-Shih Chen, Shuen-Fang Lo, Peng-Kai Sun, Chung-An Lu, Tuan-Hua D. Ho, Su-May Yu
- 单位
- Institute of Molecular Biology, Academia Sinica, Taipei, Taiwan; Department of Life Sciences, National Central University, Hongli City, Taiwan; Agricultural Biotechnology Center, National Chung Hsing University, Taichung, Taiwan; Institute of Plant and Microbial Biology, Academia Sinica, Taipei, Taiwan; Department of Life Sciences, National Chung Hsing University, Taichung, Taiwan
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2014）
- DOI
- 10.1111/pbi.12241
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何在提高水稻非生物胁迫耐受性的同时避免产量损失，以及HVA1蛋白调控根系构型的分子机制
研究策略
利用合成的ABA/胁迫诱导型启动子3xABRC321控制大麦HVA1基因在水稻中表达，通过表型分析、胁迫处理、根系生长分析、组织定位、生长素报告基因检测等手段研究其功能
核心内容
该研究利用合成的ABA/胁迫诱导型启动子3xABRC321驱动大麦HVA1基因在水稻中表达，旨在提高非生物胁迫耐受性同时避免产量损失。通过表型分析、胁迫处理、根系生长观察、生长素报告基因检测及基因表达分析等手段，发现HVA1在ABA、NaCl、脱水和冷胁迫下被显著诱导，其蛋白半衰期在ABA存在下从78.7小时延长至157.8小时。转基因水稻在0.1μM ABA下根系生长受促进，250mM NaCl处理后存活率达65–100%而野生型仅5%，干旱处理后存活率58–100%而野生型仅25%，且4℃处理后可恢复生长。NPA抑制实验及DR5:GUS信号检测表明，HVA1通过与生长素极性运输依赖的途径促进侧根和主根生长，PIN1b、PIN2、PIN9及细胞周期相关基因表达上调。田间试验中转基因系灌溉田产量与野生型相当，非灌溉田产量更高。结果表明该策略能通过改善根系构型增强多重胁迫耐受性且无产量代价。
创新点
设计了一种低背景、高诱导性的合成启动子3xABRC321；首次证明HVA1通过生长素依赖途径促进侧根和主根生长；实现了多重胁迫耐受且无产量损失
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa L. cv Tainung 67 和 Kitaake） | ABA/胁迫信号通路 | HVA1 | HVA1 (group 3 LEA蛋白) | 调控 | 受ABA和胁迫诱导，促进根系生长 |
| 水稻（Oryza sativa L. cv Tainung 67 和 Kitaake） | ABA响应通路 | ABRC321 | — | 调控 | 合成启动子，含CE和ABRE元件，3x串联 |
| 水稻（Oryza sativa L. cv Tainung 67 和 Kitaake） | 生长素信号通路 | PIN1b, PIN2, PIN9 | PIN蛋白（生长素外排转运体） | 转运 | 表达量在转基因根中升高，受ABA增强 |
| 水稻（Oryza sativa L. cv Tainung 67 和 Kitaake） | 细胞周期 | CYCB1.1, CYCB2.1, CYCB2.2 | — | 调控 | 细胞周期调节基因，表达量在转基因根中升高 |
| 水稻（Oryza sativa L. cv Tainung 67 和 Kitaake） | 生长素信号通路 | CRL1 | CRL1 (Crown Rootless 1) | 调控 | 水稻冠根和侧根生长必需 |
| 水稻（Oryza sativa L. cv Tainung 67 和 Kitaake） | ABA响应 | LEA3 | LEA3 | 调控 | 内源基因，与HVA1表达模式相似 |
| 水稻（Oryza sativa L. cv Tainung 67 和 Kitaake） | 生长素响应报告系统 | DR5 | — | 调控 | DR5:GUS作为生长素水平标记 |
| 水稻（Oryza sativa L. cv Tainung 67 和 Kitaake） | 脂质代谢 | — | HVA1 (LEA蛋白) | 催化 | 可能通过稳定蛋白/膜结构发挥作用 |
关键发现
- 转基因水稻中HVA1受ABA、NaCl、脱水和冷胁迫显著诱导，半衰期在ABA存在下从78.7h延长至157.8h
- 1μM ABA促进转基因系根系生长，转基因系在所有ABA浓度下根长和侧根数均高于野生型
- 400mM山梨醇处理下转基因系侧根数和密度增加，地上部和根部干鲜重均高于野生型
- 250mM NaCl处理后转基因系存活率65-100%，野生型仅5%
- 干旱处理后转基因系存活率58-100%，野生型仅25%
- 4℃处理3天后转基因系恢复生长
- 转基因系水分利用效率(WUE)提高
- 田间试验中转基因系灌溉田产量与野生型相当，非灌溉田产量高于野生型
- NPA抑制实验表明HVA1和ABA促进根系生长依赖生长素极性运输
- ABA处理后转基因系中DR5:GUS信号增强，而野生型中受抑制
- PIN1b、PIN2、PIN9、CYCB1.1、CYCB2.1、CYCB2.2和CRL1基因表达量在转基因根中升高且受ABA进一步增强
研究结论
3xABRC321启动子能够在胁迫条件下高效诱导HVA1表达，通过促进根系生长(特别是侧根起始和伸长)提高水稻对干旱、盐和冷胁迫的耐受性，且不造成产量损失；HVA1可能通过稳定PIN蛋白等机制增强生长素极性运输，从而在ABA抑制条件下维持根的发育