Increased Drought Tolerance through the Suppression of ESKMO1 Gene and Overexpression of CBF-Related Genes in Arabidopsis

作者: Fuhui Xu, Zhixue Liu, Hongyan Xie, Jian Zhu, Juren Zhang, Josef Kraus, Tasja Blaschnig, Reinhard Nehls, Hong Wang
单位: School of Life Sciences and Technology, Tongji University; KWS SAAT AG; School of Life Science, Shandong University
杂志: PLoS ONE（2014）
DOI: 10.1371/journal.pone.0106509
所属领域: 植物基因工程
关键词: ArabidopsisCBFESK1ICE1drought tolerancegene stacking
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解决的核心问题

如何通过组合调控多个胁迫响应基因（抑制ESK1及过表达CBF/ICE1）来显著提高植物抗旱性，并评估其效应与代价。

研究策略

利用siRNA抑制ESK1基因表达，同时用35S组成型启动子过表达ICE1、CBF1和CBF3基因；通过单基因操作或构建多基因堆叠载体转化拟南芥，在体外渗透胁迫（PEG）及温室干旱条件下系统性评估抗旱表型、存活率与种子产量。

研究路线图

100%

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核心内容

该研究在拟南芥中通过siRNA抑制ESK1基因表达，并利用35S组成型启动子分别或联合过表达ICE1、CBF1和CBF3基因，系统评估了单基因操作与多基因堆叠对植物抗旱性的影响。结果显示，siRNA抑制ESK1后多数株系基因表达量降低50%以上；在30% PEG渗透胁迫14天条件下，转基因株系主根更长、侧根更多，叶片数达8片而野生型仅6片。温室停水14天复水后，最优ESK1抑制株系esk1i-3存活率达80%，而野生型仅1.25%；进一步将ESK1抑制与ICE1过表达堆叠，最高存活率可达85.25%。但堆叠载体的基因抑制效果弱于单独载体，且抗旱性提升并非简单叠加。此外，转基因植株对外源ABA的敏感性与野生型基本一致，表明ESK1途径独立于ABA调控网络。值得注意的是，正常浇水条件下ESK1抑制株系种子产量低于野生型，干旱下结种量更不足正常条件的10%，说明抗旱性增强伴随明显的生殖代价。该研究首次将ESK1抑制与CBF/ICE1过表达进行策略性组合，证实多基因协同可进一步提升抗逆效果，但需权衡抗性与产量损失。

创新点

首次将ESK1基因抑制与CBF/ICE1过表达进行基因堆叠策略，证明多基因组合可进一步提高抗旱性，但效应并非简单叠加；并揭示了ESK1途径独立于ABA调控网络。

研究对象（4）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
拟南芥（Arabidopsis thaliana Col-0）	CBF冷响应/干旱响应通路	ICE1	ICE1	调控	过表达ICE1增强抗旱性，部分株系在PEG下仍表现野生型表型
拟南芥（Arabidopsis thaliana Col-0）	CBF冷响应/干旱响应通路	CBF1	CBF1	调控	与CBF3串联过表达，增强抗旱性
拟南芥（Arabidopsis thaliana Col-0）	CBF冷响应/干旱响应通路	CBF3	CBF3	调控	与CBF1串联过表达，增强抗旱性
拟南芥（Arabidopsis thaliana Col-0）	ESK1水分经济通路	ESK1（ESKMO1）	ESK1	调控	通过siRNA抑制表达，导致维管系统异常，提高水分利用效率和抗旱性

关键发现

siRNA抑制ESK1后，大多数株系基因表达降低约50%以上
在30% PEG处理14天后，转基因株系主根更长、侧根更多，叶片数达8片而野生型仅6片
温室干旱（停水14天）后复水，最佳ESK1抑制株系esk1i-3存活率达80%，野生型仅1.25%
ESKi-ICE1堆叠株系最高存活率达85.25%
堆叠载体的基因抑制效果弱于单独载体
转基因植株对外源ABA的敏感性与野生型无显著差异，但种子萌发在0.5μM ABA下延迟
正常浇水条件下ESK1抑制株系种子产量低于野生型，干旱条件下转基因植株种子产量仅为正常条件的10%以下。

研究结论

抑制ESK1表达和过表达CBF/ICE1基因均能显著提高拟南芥抗旱性，基因堆叠可进一步提升效果但非叠加效应；抗旱性提高伴随种子产量下降，需要平衡抗逆与生物量损失，ESK1途径与ABA网络关系不大。