An Alcohol Dehydrogenase Gene from Synechocystis sp. Confers Salt Tolerance in Transgenic Tobacco
- 作者
- So Young Yi, Seong Sub Ku, Hee-Jung Sim, Sang-Kyu Kim, Ji Hyun Park, Jae Il Lyu, Eun Jin So, So Yeon Choi, Jonghyun Kim, Myung Suk Ahn, Suk Weon Kim, Hyunwoo Park, Won Joong Jeong, Yong Pyo Lim, Sung Ran Min, Jang Ryo Liu
- 单位
- Plant Systems Engineering Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology, Daejeon, South Korea; Institute of Agricultural Science, Chungnam National University, Daejeon, South Korea; Center for Genome Engineering, Institute for Basic Science, Daejeon, South Korea; Biological Resources Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology, Daejeon, South Korea; Department of Horticulture, Chungnam National University, Daejeon, South Korea
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2017）
- DOI
- 10.3389/fpls.2017.01965
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用蓝藻乙醇脱氢酶基因提高植物的耐盐性，并阐明其通过绿叶挥发物介导的分子机制。
研究策略
从耐盐蓝藻Synechocystis sp. PCC 6906中克隆盐响应基因sysr1，构建35S启动子驱动的过表达载体转化烟草，通过耐盐性表型、ADH活性、GLV成分分析及外源GLV处理实验，解析Sysr1提高耐盐性的机制。
核心内容
研究者从耐盐蓝藻Synechocystis sp. PCC 6906中克隆了盐响应基因sysr1（编码乙醇脱氢酶），并通过35S启动子驱动在烟草中过表达。在300 mM NaCl处理下，转基因株系4和7的根长与鲜重显著高于野生型，ADH活性明显提升。气相色谱分析显示，伤后1至2小时转基因植株中Z-3-己烯醇水平约为野生型的两倍，同时DREB2A、RD29B、HSP17.6和HPL等胁迫响应基因表达上调。外源施用Z-3-己烯醇及其乙酸酯比E-2-己烯醛更能诱导胁迫基因表达，并显著提高野生型幼苗在盐胁迫下的根长和侧根数。此外，转基因植株释放的挥发物可诱导邻近野生型植株的耐盐性，提示存在植物间通讯机制。该结果表明Sysr1通过促进C6醛向醇的转化、改变绿叶挥发物组分来激活下游胁迫响应，为利用蓝藻基因改良作物耐盐性提供了可行策略。
创新点
首次将蓝藻乙醇脱氢酶基因sysr1异源表达于烟草并显著提高耐盐性；揭示了Sysr1通过改变C6醛/醇比例（尤其是提高Z-3-己烯醇）上调胁迫响应基因表达；证明sysr1-OX植物释放的挥发物可诱导邻近野生型植株的耐盐性（植物间通讯/priming）。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 绿叶挥发物（GLV）生物合成途径 / 脂氧合酶-HPL途径 | sysr1 | Sysr1（乙醇脱氢酶，ADH） | 催化 | 来源于Synechocystis sp. PCC 6906，在烟草中过表达，催化醛与醇的互变，主要还原醛为醇。 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 非生物胁迫信号通路 | DREB2A | DREB2A（脱水响应元件结合蛋白2A） | 调控 | 转录因子，在sysr1过表达植株中表达上调。 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 非生物胁迫响应 | RD29B | RD29B（响应脱水29B） | 调控 | DREB2A靶基因，受盐胁迫诱导。 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 热激蛋白响应 | HSP17.6 | HSP17.6（小热激蛋白） | 调控 | 在sysr1过表达植株中表达上调。 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 脂氧合酶/HPL途径 | HPL | 氢过氧化物裂解酶（HPL） | 催化 | GLV生物合成关键酶，在sysr1过表达植株中表达上调。 |
| Synechocystis sp. PCC 6906（基因来源） | 乙醇脱氢酶代谢 | sysr1 | Sysr1 | 催化 | 盐响应基因1，与PCC 6803的AdhA（slr1192）有>80%同源性，属于中链ADH家族。 |
关键发现
- sysr1过表达烟草（Lines 4和7）在300 mM NaCl下根长和鲜重显著高于野生型
- ADH活性明显升高
- Z-3-己烯醇水平在转基因植株中约为野生型的2倍（伤后1-2 h）
- DREB2A、RD29B、HSP17.6和HPL表达在转基因植株中上调
- 外源Z-3-己烯醇和Z-3-己烯基乙酸酯处理比E-2-己烯醛更强地诱导胁迫基因表达并提高野生型幼苗在300 mM NaCl下的根长和侧根数。
研究结论
Sysr1作为乙醇脱氢酶，通过促进C6醛向醇的转化，提高Z-3-己烯醇等GLV组分，激活胁迫响应基因表达，从而增强转基因烟草的耐盐性，并可作为一种改善作物耐盐性的基因工程策略。