Accumulation of eicosapolyenoic acids enhances sensitivity to abscisic acid and mitigates the effects of drought in transgenic Arabidopsis thaliana
- 作者
- Xiaowei Yuan, Yaxiao Li, Shiyang Liu, Fei Xia, Xinzheng Li, Baoxiu Qi
- 单位
- College of Life Sciences, State Key Laboratory of Crop Biology, Shandong Agricultural University; Huasheng Agriculture Limited Liability Company; Department of Biology and Biochemistry, University of Bath
- 杂志
- Journal of Experimental Botany（2014）
- DOI
- 10.1093/jxb/eru031
- 所属领域
- 代谢工程与植物逆境生物学
- 关键词
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解决的核心问题
二十碳多不饱和脂肪酸（EDA和ETrA）在植物非生物胁迫（干旱）响应中的作用及其与ABA信号的关系
研究策略
在拟南芥中组成型表达海洋微藻Isochrysis galbana的IgASE1延长酶，使叶片积累EDA和ETrA，系统分析其形态、ABA敏感性、干旱抗性、内源ABA含量及相关基因表达变化
核心内容
该研究通过在拟南芥中组成型表达海洋微藻IgASE1延长酶，使叶片积累二十碳多不饱和脂肪酸EDA和ETrA，进而系统解析了这两种脂肪酸在干旱胁迫响应中的功能。转基因株系叶片中EDA和ETrA分别占总脂肪酸的15.2 mol%和10.4 mol%，前体转化率分别达56.7%和32.1%。表型分析显示转基因植株莲座叶面积缩小，离体叶片失水7小时后仍保留50.5%初始重量（野生型为38.4%），干旱抗性显著增强。在ABA敏感性方面，0.1 μM ABA处理下转基因种子48小时萌发率仅1.2%，远低于野生型的56%，且ABA处理后转基因气孔闭合更明显，内源ABA水平在新鲜和脱水叶片中均高于野生型。甘露醇胁迫下，ABA合成基因NCED3等表达上调1.7至2.0倍，信号基因ABI1和ABI5分别高出4.0和3.4倍。外源施加EDA和ETrA同样能增强ABA对种子萌发的抑制。这些结果表明C20多不饱和脂肪酸通过提高内源ABA水平并增强ABA信号感知传导，经ABA依赖和非依赖途径共同减轻干旱损害，为利用脂肪酸代谢工程改良作物抗旱性提供了新思路。
创新点
首次报道C20多不饱和脂肪酸（EDA/ETrA）参与植物干旱胁迫响应，证明其通过ABA依赖和非依赖途径增强抗旱性
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | 多不饱和脂肪酸生物合成（Δ8脱饱和途径） | IgASE1 | IgASE1延长酶 | 催化 | 来自Isochrysis galbana的C16Δ9特异性PUFA延长酶，催化亚油酸(LA)和α-亚麻酸(ALA)分别延长为二十碳二烯酸(EDA)和二十碳三烯酸(ETrA) |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA生物合成 | NCED3 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶3 | 催化 | ABA合成关键酶，甘露醇胁迫下转基因中表达上调1.8倍 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA生物合成 | ABA1 | 玉米黄质环氧酶 | 催化 | ABA合成酶，甘露醇胁迫下转基因中表达上调1.7倍 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA生物合成 | AAO3 | 脱落醛氧化酶3 | 催化 | ABA合成最后一步的氧化酶，甘露醇胁迫下转基因中表达上调2.0倍 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA分解代谢 | CYP707A | ABA 8'-羟化酶 | 催化 | ABA分解代谢关键酶，甘露醇胁迫下转基因中表达上调3.1倍，有助于ABA稳态 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA信号转导 | RCAR1 | ABA受体RCAR1 | 调控 | ABA受体，甘露醇处理后表达上调1.9倍，增强ABA感知 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA信号转导 | PYR1 | ABA受体PYR1 | 调控 | ABA受体，对照中转基因表达略上调，参与ABA信号感知 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA信号转导 | ABI1 | 蛋白磷酸酶2C ABI1 | 调控 | ABA信号负调控因子，甘露醇胁迫下转基因中表达上调4.0倍 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA信号转导 | ABI5 | bZIP转录因子ABI5 | 调控 | ABA响应转录因子，甘露醇胁迫下转基因中表达上调3.4倍 |
| 拟南芥 Arabidopsis thaliana (Col-4) | ABA信号转导 | SnRK2.2 | SNF1相关蛋白激酶2.2 | 调控 | ABA信号正调控因子，对照中转基因表达略上调 |
关键发现
- IgASE1转基因拟南芥叶片中EDA和ETrA分别占总脂肪酸的15.2 mol%和10.4 mol%（合计约25 mol%），前体LA和ALA的转化率分别为56.7%和32.1%。转基因株系莲座叶面积仅4.3±0.5 cm²（WT为6.9±0.6 cm²），500粒种子重8.54 mg（WT为8.1 mg）。在0.1 μM ABA下，转基因种子48h萌发率仅1.2%（WT为56%）
- 10 μM ABA处理下植株鲜重保留18.1%（WT为31.6%），25 μM ABA下为6.8%（WT为13.4%）。离体叶片失水7h后，转基因叶片保留50.5%初始重量（WT为38.4%）。ABA处理后转基因气孔闭合更显著（宽度4.8 μm vs WT 6.0 μm）。内源ABA水平在新鲜和脱水叶片中均高于WT。甘露醇胁迫下，ABA合成基因NCED3、ABA1、ABA2、AAO3在转基因中分别比WT高1.8、1.7、2.0、2.0倍，分解基因CYP707A高3.1倍，信号基因ABI1和ABI5分别高4.0和3.4倍。外源EDA和ETrA处理能增强ABA对WT种子萌发的抑制，并在甘油模拟干旱条件下部分缓解抑制作用。
研究结论
EDA和ETrA及其衍生物通过提高内源ABA水平、增强ABA信号感知与传导，并通过ABA依赖和ABA非依赖途径共同作用，减轻了转基因拟南芥的干旱损害，提高了干旱抗性。