Ectopic expression of a hot pepper bZIP-like transcription factor in potato enhances drought tolerance without decreasing tuber yield
- 作者
- Seok-Jun Moon, Se-Youn Han, Dool-Yi Kim, In Sun Yoon, Dongjin Shin, Myung-Ok Byun, Hawk-Bin Kwon, Beom-Gi Kim
- 单位
- Molecular Breeding Division, Department of Agricultural Biotechnology, National Academy of Agricultural Science, RDA, Jeonju 560-500, Republic of Korea; Crop Foundation Research Division, National Institute of Crop Science, RDA, Wanju-gun, Jeollabuk-do 565-851, Republic of Korea; Paddy Crop Research Division, Department of Southern Area, National Institute of Crop Science, RDA, Miryang 627-803, Republic of Korea; Department of Biomedical Sciences, Sunmoon University, Asan 336-708, Republic of Korea
- 杂志
- Plant Molecular Biology（2015）
- DOI
- 10.1007/s11103-015-0378-y
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
过表达A组bZIP转录因子虽能提高植物非生物胁迫耐受性，但通常导致产量下降。需要找到既能提高作物抗旱性又不造成产量损失的基因或策略。
研究策略
从辣椒中克隆并鉴定bZIP转录因子基因CaBZ1，通过农杆菌介导法在马铃薯品种'Sumi'中组成型过表达，分析转基因植株在正常和干旱条件下的生理特性、基因表达和农艺性状（包括块茎产量）。
核心内容
从辣椒中克隆了编码S组bZIP转录因子的CaBZ1基因，并通过农杆菌介导法在马铃薯品种‘Sumi’中组成型过表达，以探究在不牺牲产量的前提下提高抗旱性的策略。CaBZ1表达受ABA、甘露醇、NaCl和低温诱导，其蛋白定位于细胞核。在干旱胁迫下，过表达株系的存活率超过50%，而野生型仅约20%；叶绿素含量比野生型高50%以上。离体叶片失水率显著降低（转基因系约30–34%，野生型约40%），且ABA处理1h后转基因株系#23气孔孔径（0.28±0.05 μm）明显小于非转基因（0.4±0.06 μm），表明促进了ABA依赖性气孔关闭。胁迫相关基因CYP707A1上调2.5–4.4倍，NAC和CBF上调超2倍。正常条件下，转基因株系生长和产量未受抑制，块茎产量反而提高10–25%；干旱胁迫后，转基因株系平均块茎数和总重（超70 g）显著高于野生型（约23.47 g）。结果表明，CaBZ1过表达可同时增强抗旱性和干旱下产量，为块茎作物改良提供了有效工具。
创新点
首次报道在马铃薯中过表达S组bZIP转录因子CaBZ1，在不降低正常条件下植株生长和块茎产量的同时增强了抗旱性，并在干旱胁迫下提高了块茎产量；该基因与已知A组bZIP不同，组成型过表达未引起生长抑制。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯 (Solanum tuberosum cv. Sumi) | ABA信号转导/干旱胁迫响应 | CaBZ1 | CaBZ1 (bZIP转录因子) | 调控 | 来自辣椒的S组bZIP转录因子，异源组成型过表达 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum cv. Sumi) | ABA分解代谢 | CYP707A1 | ABA 8'-羟化酶 | 催化 | 受CaBZ1上调，表达量提高2.5-4.4倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum cv. Sumi) | 低温/干旱胁迫响应 | CBF (C-repeat binding factor) | AP2结构域CBF蛋白 | 调控 | 表达上调超过2倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum cv. Sumi) | 干旱胁迫响应 | NAC-like | NAC结构域蛋白 | 调控 | 表达上调超过2倍 |
关键发现
- CaBZ1在ABA、甘露醇(150 mM)、NaCl(150 mM)和低温胁迫下表达上调，ABA处理3小时即快速诱导，甘露醇处理12-24小时，盐处理24-48小时
- CaBZ1-GFP定位于细胞核
- 干旱胁迫后，CaBZ1过表达马铃薯植株存活率>50%，非转基因约20%
- 叶绿素含量比野生型高50%以上
- 正常条件下三个转基因株系株高变化为-3%到-8%（其中一个株系与野生型相似），块茎产量比非转基因高10-25%
- 离体叶片5h失水率：非转基因约40%，三个转基因系分别约34%、31%、30%
- ABA(3μM)处理1h后，转基因株系#23气孔孔径为0.28±0.05 μm，非转基因0.4±0.06 μm
- 胁迫相关基因CYP707A1在三个转基因株系中分别上调2.5、4.4、3.8倍，NAC和CBF转录因子上调超过2倍
- 干旱胁迫后，转基因株系平均块茎数6-7个，非转基因平均4个
- 总块茎重非转基因约23.47 g，转基因株系均超过70 g。
研究结论
辣椒CaBZ1基因编码S组bZIP转录因子，在马铃薯中组成型过表达通过促进ABA依赖性气孔关闭和上调ABA及胁迫相关基因（如CYP707A1、CBF、NAC）来提高抗旱性，且不改变正常条件下的生长和块茎产量，并在干旱胁迫下显著增加块茎产量，可作为块茎作物抗旱遗传改良的有效工具。