Selective manipulation of the inositol metabolic pathway for induction of salt-tolerance in indica rice variety
- 作者
- Rajeswari Mukherjee, Abhishek Mukherjee, Subhendu Bandyopadhyay, Sritama Mukherjee, Sonali Sengupta, Sudipta Ray, Arun Lahiri Majumder
- 杂志
- Scientific Reports（2019）
- DOI
- 10.1038/s41598-019-41809-7
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
传统育种提高水稻耐盐性效率有限，需要利用基因工程手段将盐生植物的耐盐基因导入敏感籼稻品种IR64，以提升其在盐胁迫下的生产能力。
研究策略
从盐生稻Porteresia coarctata中克隆耐盐相关的肌醇-1-磷酸合酶基因PcINO1和肌醇甲基转移酶基因PcIMT1，分别或共同构建植物表达载体，通过农杆菌介导转化IR64籼稻，筛选纯合转基因株系，并从分子、生理生化、代谢物和转录组水平综合评估其耐盐性。
核心内容
该研究将盐生稻Porteresia coarctata来源的肌醇-1-磷酸合酶基因PcINO1和肌醇甲基转移酶基因PcIMT1分别或共同导入敏感籼稻品种IR64，通过农杆菌介导转化获得纯合转基因株系，从分子、生理生化及转录组水平系统比较了不同基因操作策略对耐盐性的贡献。结果显示，单表达PcINO1的7PcINO1株系在200 mM NaCl下生长几乎不受影响，盐胁迫下肌醇含量持续增加，其INO1全长转录本提升约2.61倍，且存在一个盐响应特异的37氨基酸转录本；而单表达PcIMT1的株系虽能累积pinitol，但肌醇池下降，耐盐性有限。转录组分析揭示PcINO1过表达特异激活1756个转录本，富集于光合碳固定和次生代谢等71条KEGG通路，表明肌醇不仅作为渗透保护剂，还可能作为信号分子调控多条胁迫响应通路。该研究证实维持肌醇持续合成比增加甲基化衍生物更能有效提升耐盐性，为水稻耐盐遗传改良提供了可行策略。
创新点
首次在IR64籼稻中系统比较PcINO1、PcIMT1单基因及双基因过表达对耐盐性的贡献；发现维持肌醇合成（PcINO1）比增加甲基化衍生物（PcIMT1）更能有效提高耐盐性；提出肌醇本身不仅作为渗透保护剂，还可能作为信号分子调控多条胁迫响应通路；通过转录组分析揭示PcINO1过表达特异性激活大量与光合碳固定和次生代谢相关的通路。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| IR64籼稻 (Oryza sativa L. ssp. indica cv. IR64) | 肌醇从头合成通路（L-myo-inositol-1-phosphate synthase反应） | PcINO1 | PcINO1（L-肌醇-1-磷酸合酶，MIPS） | 催化 | 来自盐生稻Porteresia coarctata，在转基因水稻中过表达以增强肌醇合成 |
| IR64籼稻 | 肌醇甲基化衍生通路（pinitol合成） | PcIMT1 | PcIMT1（肌醇甲基转移酶，IMT1） | 催化 | 来自Porteresia coarctata，催化肌醇甲基化生成pinitol |
| IR64籼稻 | 肌醇从头合成通路 | OsINO1 | OsINO1（内源L-肌醇-1-磷酸合酶） | 催化 | 作为对照，在IR64中过表达内源OsINO1与PcINO1效果比较 |
| IR64籼稻 | 双基因共表达（肌醇合成+甲基化衍生） | PcINO1 + PcIMT1 | PcINO1 + PcIMT1 | 催化 | 构建DC1双基因载体，两个基因分别由各自CaMV35S启动子驱动 |
关键发现
- PcINO1转基因株系在200 mM NaCl及以上浓度下表现出显著耐盐性，且生长几乎不受影响
- 7PcINO1株系在盐胁迫下INO1全长转录本增加约2.61倍，而10PcIMT1和6DC1仅增加约0.5和0.67倍
- PcINO1特异性37氨基酸转录本在7PcINO1中较0 mM高约10倍，在6DC1中高约5倍
- PcIMT1转录本在10PcIMT1和6DC1中均增加约1.3-1.4倍
- Western blot证实PcINO1蛋白在7PcINO1中表达最高
- GC-MS显示7PcINO1在盐胁迫下肌醇含量持续增加，6DC1肌醇池基本不变，而IR64和10PcIMT1肌醇下降
- pinitol仅在10PcIMT1和6DC1中检出且随盐胁迫增加
- 在300 mM NaCl处理10天后，7PcINO1、10PcIMT1和6DC1均能完全恢复，其中7PcINO1叶绿素保留能力最好
- 光合效率分析表明转基因株系在200 mM NaCl下Fv/Fm和PI(abs)均高于未转化对照
- 种子在含50 mg/L潮霉素培养基上发芽率高达95-100%
- 转录组分析显示PcINO1转化株在盐胁迫下共有1493个转录本上调和1403个下调，与OsINO1过表达株相比有3183个上调和1607个下调，其中PcINO1特有上调转录本1756个、特有下调1093个，并富集到71条独特KEGG通路。
研究结论
选择性操纵肌醇代谢通路，特别是通过PcINO1维持盐胁迫下肌醇的持续合成，能够显著提高IR64籼稻的耐盐性且不牺牲正常生长，为水稻耐盐遗传改良提供了可行策略。