The Potato ERF Transcription Factor StERF3 Negatively Regulates Resistance to Phytophthora infestans and Salt Tolerance in Potato
- 作者
- Zhendong Tian, Qin He, Haixia Wang, Ying Liu, Ying Zhang, Fang Shao, Conghua Xie
- 单位
- Key Laboratory of Horticultural Plant Biology (HAU), Ministry of Education; National Center for Vegetable Improvement (Central China); Huazhong Agricultural University, Wuhan, Hubei, 430070, China
- 杂志
- Plant and Cell Physiology（2015）
- DOI
- 10.1093/pcp/pcv025
- 所属领域
- 植物分子生物学
- 关键词
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解决的核心问题
阐明马铃薯ERF转录因子StERF3在调控晚疫病抗性和盐耐受性中的功能及负调控机制
研究策略
通过克隆StERF3及其启动子，利用GUS染色分析启动子诱导表达模式；酵母单杂交验证GCC-box结合能力；构建过表达和RNAi转基因马铃薯株系，并进行晚疫病菌接种和NaCl处理；结合qRT-PCR、亚细胞定位、酵母双杂交和BiFC揭示调控网络
核心内容
该研究克隆了马铃薯ERF转录因子StERF3，并系统解析了其在晚疫病抗性和盐耐受性中的负调控机制。StERF3编码含EAR基序的II类ERF蛋白，其启动子可被晚疫病菌、水杨酸、脱落酸、乙烯及NaCl诱导。酵母单杂交实验证实StERF3能结合GCC-box。通过构建过表达和RNAi转基因马铃薯株系，发现RNAi株系中StERF3转录水平降低65%–84%，过表达株系提高5–8倍；RNAi株系叶片病斑面积显著减小，在150 mM NaCl处理下株高和鲜重明显优于对照，而过表达株系则表现相反。qRT-PCR显示，RNAi株系中PR1、NPR1和WRKY1表达上调，过表达株系中下调，表明StERF3通过抑制SA信号通路防御基因发挥作用。亚细胞定位和蛋白互作实验发现，StERF3定位于细胞核，但与细胞质蛋白StKIN1、StCYN、StCIP3互作后会重新定位至细胞质。该研究首次揭示StERF3作为负调控因子参与马铃薯抗病与耐盐调控，其核质重定位机制为ERF转录因子的功能调控提供了新见解，也为马铃薯抗逆遗传改良提供了潜在靶点。
创新点
首次明确StERF3作为含EAR基序的II类ERF转录因子负调控马铃薯晚疫病抗性和盐耐受性；发现StERF3与细胞质蛋白（StKIN1、StCYN、StCIP3）互作可导致其核质重定位，提出一种新的ERF转录因子调控机制
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯（Solanum tuberosum cv. E-potato-3 和 cv. Zhuanxinwu） | 防御响应/SA信号通路 | StERF3 | StERF3（含EAR基序的II类ERF转录因子） | 调控 | 负调控晚疫病抗性和盐耐受性；RNAi沉默株系增强抗病和耐盐，过表达株系表型相反 |
| 本氏烟草（Nicotiana benthamiana） | 激素/胁迫信号通路 | pStERF3::GUS | — | 调控 | StERF3启动子含ABRE、MBS、LTR、TC-rich等顺式元件，受P. infestans、SA、ABA、乙烯和NaCl诱导表达GUS |
| 马铃薯（Solanum tuberosum） | SA信号通路 | StPR1, StNPR1, StWRKY1 | — | 调控 | 在StERF3 RNAi株系中表达上调，在过表达株系中表达下调，验证StERF3负调控SA相关基因 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum） | MAPK信号通路 | StMAPK3-like | — | 调控 | 在StERF3过表达株系中表达显著降低，RNAi株系中变化不显著 |
| 酿酒酵母Y2H/烟草BY2细胞 | 能量代谢/蛋白互作 | StKIN1 | StKIN1（SNF1相关蛋白激酶） | 能量供给 | 与StERF3在酵母双杂交和BiFC中证实互作；定位于细胞质，可能与StERF3磷酸化及核质重定位有关 |
| 酿酒酵母Y2H/烟草BY2细胞 | 氮代谢/防御反应 | StCYN | StCYN（氰酸水合酶） | 催化 | 与StERF3互作，参与防御和胁迫响应；定位于细胞核和细胞质 |
| 酿酒酵母Y2H/烟草BY2细胞 | 光周期调控/植物发育 | StCIP3 | StCIP3（CONSTANS互作蛋白3） | 调控 | 与StERF3互作，可能参与植物发育调控；定位于细胞核和细胞质 |
| 本氏烟草表皮细胞（N. benthamiana） | 亚细胞定位/核质转运 | StERF3-GFP | StERF3:GFP融合蛋白 | 区室化 | StERF3单独表达时定位于细胞核；与StKIN1、StCYN或StCIP共表达时在细胞质中检测到荧光，暗示互作导致核质重定位 |
关键发现
- StERF3编码223个氨基酸的蛋白，与番茄SIERF3相似性为85%，与NtERF3、OsERF3、AtERF4的相似性分别为46.5%、37.9%和36.9%
- 其启动子响应P. infestans、SA、ABA、乙烯和NaCl诱导
- 酵母单杂交证明StERF3可结合GCC-box
- RNAi株系中StERF3转录水平降低65%-84%，过表达株系提高5-8倍
- RNAi株系叶片病斑面积显著减小，过表达株系增大
- 在150 mM NaCl处理下，RNAi株系株高和鲜重显著高于对照
- RNAi株系中PR1、NPR1、WRKY1表达上调，过表达株系中下调
- StERF3定位于细胞核，与StKIN1、StCYN、StCIP互作后主要在细胞质中检测到荧光，提示互作导致StERF3从细胞核重定位至细胞质。
研究结论
StERF3是马铃薯晚疫病抗性和盐耐受性的负调控因子，通过抑制SA信号通路相关防御基因（PR1、NPR1、WRKY1）的表达发挥作用；其与细胞质蛋白互作导致的亚细胞重定位可能是一种重要的调控方式；研究为马铃薯晚疫病抗性和耐盐性的遗传改良提供了新靶点。