Heterologous Expression of the Chrysanthemum R2R3-MYB Transcription Factor CmMYB2 Enhances Drought and Salinity Tolerance, Increases Hypersensitivity to ABA and Delays Flowering in Arabidopsis thaliana
- 作者
- Hong Shan, Sumei Chen, Jiafu Jiang, Fadi Chen, Yu Chen, Chunsun Gu, Peiling Li, Aiping Song, Xirong Zhu, Haishun Gao, Guoqin Zhou, Ting Li, Xue Yang
- 杂志
- Molecular Biotechnology（2011）
- DOI
- 10.1007/s12033-011-9451-1
- 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
解析菊花R2R3-MYB转录因子CmMYB2在非生物胁迫（干旱、盐、冷）和ABA信号响应中的功能，并评估其在异源表达时对拟南芥耐逆性和开花时间的影响，为菊花及其他植物的抗逆遗传改良提供候选基因。
研究策略
从菊花中克隆CmMYB2全长cDNA，通过qRT-PCR分析其在干旱、盐、冷及ABA处理下的表达模式；构建35S::CmMYB2过表达载体并转化拟南芥，通过发芽率、气孔开度、植株存活率、水分损失及开花时间等表型分析，结合qRT-PCR检测胁迫响应基因和开花相关基因的表达变化，解析其功能机制。
核心内容
该研究从菊花中克隆了R2R3-MYB转录因子CmMYB2，其cDNA全长1331 bp，编码315个氨基酸。表达分析显示该基因受干旱、盐、冷及ABA处理快速诱导。在拟南芥中异源表达CmMYB2显著增强了干旱和盐耐受性：断水14天复水后转基因株系存活率达86.5%和78.6%，而野生型仅为19.8%；300 mM NaCl浇灌后转基因株系存活率超过90%，野生型仅31.1%。转基因株系还表现出ABA敏感性提高和气孔关闭增强，在1 μM ABA下气孔开度约为对照的60%，而野生型为84.1%。分子机制研究表明，CmMYB2上调ABA合成基因ABA1/ABA2及胁迫响应基因RD22、RD29A、RAB18、COR47，同时下调PP2C负调控因子ABI1、HAB1、HAB2。此外，转基因株系开花延迟约6-7天，伴随CO、FT、SOC1、LFY和AP1表达下调。该结果表明CmMYB2作为ABA信号正调控因子，通过增强ABA合成与信号传导、促进气孔关闭来提升耐逆性，并负向调控开花，是改良作物抗逆性和花期的候选基因。
创新点
首次从菊花中克隆并功能鉴定R2R3-MYB亚家族22成员CmMYB2；发现其在拟南芥中异源表达可同时增强干旱和盐耐受性、提高ABA敏感性并延迟开花；揭示了CmMYB2通过上调ABA合成基因（ABA1/ABA2）和胁迫响应基因（RD22/RD29A/RAB18/COR47）、下调PP2C负调控因子（ABI1/HAB1/HAB2）及抑制开花正向调控因子（CO/FT/SOC1/LFY/AP1）的多重调控机制。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chrysanthemum morifolium | 非生物胁迫响应 | CmMYB2 | CmMYB2（R2R3-MYB转录因子） | 调控 | 基因克隆与表达模式分析；在干旱、盐、冷及ABA处理下表达上调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 非生物胁迫响应/ABA信号 | CmMYB2 | CmMYB2（R2R3-MYB转录因子） | 调控 | 35S::CmMYB2异源表达，增强干旱/盐耐受性、ABA敏感性与延迟开花。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | ABA生物合成 | ABA1 | — | 催化 | ABA合成相关酶，在CmMYB2转基因植株中表达上调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | ABA生物合成 | ABA2 | — | 催化 | ABA合成相关酶，在CmMYB2转基因植株中表达上调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | ABA信号转导 | ABI1 | ABI1（PP2C） | 调控 | ABA信号负调控因子，在CmMYB2转基因植株中表达下调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | ABA信号转导 | HAB1 | HAB1（PP2C） | 调控 | ABA信号负调控因子，在CmMYB2转基因植株中表达下调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | ABA信号转导 | HAB2 | HAB2（PP2C） | 调控 | ABA信号负调控因子，在CmMYB2转基因植株中表达下调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 胁迫响应 | RD22 | — | 调控 | 脱水/盐胁迫响应基因，在CmMYB2转基因植株中表达上调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 胁迫响应 | RD29A | — | 调控 | 脱水/盐胁迫响应基因，在CmMYB2转基因植株中表达上调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 胁迫响应 | RAB18 | RAB18（脱水素） | 调控 | 脱水响应基因，在CmMYB2转基因植株中表达上调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 胁迫响应 | COR47 | COR47（脱水素） | 调控 | 冷/脱水响应基因，在CmMYB2转基因植株中表达上调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 开花调控（光周期途径） | CO | CONSTANS | 调控 | 开花促进因子，在CmMYB2转基因植株中表达下调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 开花调控 | FT | FLOWERING LOCUS T | 调控 | 开花整合子，在CmMYB2转基因植株中表达下调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 开花调控 | SOC1 | SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 | 调控 | 开花整合子，在CmMYB2转基因植株中表达下调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 开花调控（花分生组织特性） | LFY | LEAFY | 调控 | 花分生组织特征基因，在CmMYB2转基因植株中表达下调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 开花调控（花分生组织特性） | AP1 | APETALA1 | 调控 | 花分生组织特征基因，在CmMYB2转基因植株中表达下调。 |
| Arabidopsis thaliana (Col-0) | 开花调控（自主/春化途径） | FLC | FLOWERING LOCUS C | 调控 | 开花抑制因子，在CmMYB2转基因植株中表达不变。 |
关键发现
- 成功克隆菊花R2R3-MYB转录因子CmMYB2（GenBank JF795918），其cDNA全长1331 nt，开放阅读框948 bp，编码315个氨基酸，蛋白分子量34.6 kDa，等电点8.87。CmMYB2表达受干旱（20% PEG）、200 mM NaCl、4°C冷胁迫和100 μM ABA快速诱导，通常在处理后1 h内上调：PEG和ABA处理3 h达峰值，NaCl处理持续上升至24 h，冷处理1 h达峰值。在拟南芥中异源表达35S::CmMYB2导致开花延迟：Col-0在36.5天开花，转基因株系为42.8和43.6天
- 转基因株系莲座叶数为19.2±1.6和19.9±1.3，而Col-0为11.8±0.79。ABA敏感性提高：0.5 μM ABA下发芽率降至65.0%和62.6%（Col-0为88.2%），3 μM ABA下为35.4%和31.5%（Col-0为68.6%）。1 μM ABA处理使Col-0气孔开度降至对照的84.1%，转基因株系约60%
- 10 μM ABA下Col-0保留约60%，转基因株系为34.7%和31.0%。盐耐受性增强：150 mM NaCl下发芽率转基因株系为75.9%和83.3%，Col-0为28.8%
- 200 mM NaCl下Col-0<3%，转基因株系为16.7%和12.5%
- 300 mM NaCl浇灌后存活率转基因株系为92%和90.4%，Col-0为31.1%。干旱耐受性增强：断水14天复水后存活率转基因株系为86.5%和78.6%，Col-0为19.8%
- 离体叶片3 h水分损失转基因株系为27.9%和29.3%，Col-0为40%。胁迫响应基因表达上调：RD22、RD29A、RAB18、COR47、ABA1和ABA2在正常条件和250 mM NaCl下均上调，而ABI1、HAB1、HAB2和COR15下调。开花相关基因CO、FT、SOC1、LFY和AP1表达下调，FLC不变。
研究结论
CmMYB2是菊花R2R3-MYB亚家族22成员，作为ABA信号的正调控因子发挥作用：通过增强ABA合成（上调ABA1/ABA2）和ABA信号传导（下调PP2C负调控因子ABI1/HAB1/HAB2），促进气孔关闭，上调胁迫响应基因（RD22/RD29A/RAB18/COR47），从而提高转基因拟南芥的干旱和盐耐受性；同时通过下调CO/FT/SOC1/LFY/AP1导致开花延迟。CmMYB2是改良菊花等作物抗旱耐盐性和调控花期的有前景的基因。