Heterologous expression of Arabidopsis ABF4 gene in potato enhances tuberization through ABA-GA crosstalk regulation
- 作者
- María Noelia Muñiz García, Margarita Stritzler, Daniela Andrea Capiati
- 单位
- Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular “Dr. Héctor Torres”, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) and Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires
- 杂志
- Planta（2013）
- DOI
- 10.1007/s00425-013-2001-2
- 所属领域
- 植物基因工程 / 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
如何利用ABF转录因子增强马铃薯块茎形成，并阐明其分子机制，为提高马铃薯产量提供生物技术工具。
研究策略
在栽培马铃薯品种Spunta中异源表达拟南芥ABF4或ABF2转录因子，通过体外结薯实验、外源激素（ABA、GA、CCC）处理、RT-qPCR检测ABA/GA代谢基因表达及内源ABA含量测定，剖析ABF转录因子调控结薯的机制。
核心内容
该研究在栽培马铃薯品种Spunta中异源表达了拟南芥ABF4和ABF2转录因子，以探究其促进块茎形成的作用及分子机制。通过体外结薯实验、外源激素处理及RT-qPCR检测发现，ABF4和ABF2均能提高高糖诱导的块茎发生率，但仅ABF4显著增加块茎数量和重量，在8%蔗糖条件下60天收获时，对照块茎数为88个，而ABF4株系为63、49和30个，且块茎更大。尤为突出的是，ABF4植株在2%蔗糖非诱导条件下培养3.5个月后，86.4%的植株结薯，而对照为0%。机制研究表明，ABF4通过上调ABA合成基因StZEP和StNCED1、调节ABA分解基因StCYP707A1，提高了匍匐茎内源ABA水平；同时上调GA失活基因StGA2ox1，呈现GA缺乏表型，外源GA可逆转该表型，CCC处理则消除差异。这些结果表明，ABF4作为ABA-GA信号串扰的中枢调控因子，在不影响营养生长的情况下强效促进马铃薯结薯，是提高产量的优良候选基因。
创新点
首次证明异源表达拟南芥ABF4可显著增强马铃薯块茎形成而不影响营养生长；揭示ABF4通过调控ABA和GA代谢基因表达，作为ABA-GA信号串扰的中介调控结薯过程；ABF4植株在非诱导条件下也能结薯，显示其促进结薯的强效性。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum tuberosum cv. Spunta | ABA/GA代谢及信号通路 | ABF4 | ABF4（ABRE结合因子，bZIP转录因子） | 调控 | 来自拟南芥，异源表达于马铃薯，正向调控块茎形成，参与ABA-GA串扰 |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | ABA/GA代谢及信号通路 | ABF2 | ABF2（ABRE结合因子，bZIP转录因子） | 调控 | 来自拟南芥，异源表达于马铃薯，促进块茎起始但影响植株生长，仅加速结薯启动而非提高最终产量 |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | ABA代谢通路 | StZEP | 玉米黄质环氧化酶（ZEP） | 催化 | ABA合成酶，在ABF4匍匐茎诱导条件下表达上调 |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | ABA代谢通路 | StNCED1 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCED） | 催化 | ABA合成关键酶，在ABF4匍匐茎中表达上调 |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | ABA代谢通路 | StCYP707A1 | ABA 8'-羟化酶（CYP707A） | 催化 | ABA分解酶，ABF4叶片中表达上调（补偿机制），匍匐茎中持平或降低 |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | GA代谢通路 | StGA20ox1 | GA20-氧化酶1 | 催化 | GA生物合成酶，ABF4植株中表达未显著改变（与对照相比） |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | GA代谢通路 | StGA20ox3 | GA20-氧化酶3 | 催化 | GA生物合成酶，ABF4植株中表达上调（可能为稳态补偿） |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | GA代谢通路 | StGA3ox2 | GA3-氧化酶2 | 催化 | GA生物合成酶，ABF4植株中表达上调（可能为稳态补偿） |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | GA代谢通路 | StGA2ox1 | GA2-氧化酶1 | 催化 | GA失活酶，ABF4植株中表达显著上调，导致GA缺乏表型 |
| Solanum tuberosum cv. Spunta | 块茎发育标志基因 | Patatin | Patatin（储藏蛋白） | 调控 | 作为块茎形成分子标记，在ABF4/ABF2转基因植株的诱导条件下表达上调 |
关键发现
- ABF4和ABF2均能提高高糖诱导的块茎发生率，但仅ABF4显著增加块茎数量和重量（对照与ABF4株系在8%蔗糖下60天收获的块茎数分别为88个和63/49/30个，ABF4块茎更大）
- ABF4株系在2%蔗糖非诱导条件下培养30天后出现亚顶端膨大，60天后形成完整块茎
- 整株ABF4植株在2%蔗糖培养3.5个月后86.4%结薯，而对照为0%，其中18%产生多个块茎
- ABF4和ABF2转基因植株对ABA敏感性增加，且表现出GA缺乏表型
- 在结薯诱导条件下，ABF4植株匍匐茎内源ABA含量显著高于对照（对照匍匐茎ABA约3.1 ng/g鲜重，ABF4更高），而叶片中ABA水平低于对照（对照叶片约68.2 ng/g鲜重）
- ABF4植株中StZEP、StNCED1（ABA合成基因）表达上调，StCYP707A1（ABA分解基因）在匍匐茎中表达持平或降低，叶片中升高
- ABF4植株中GA失活基因StGA2ox1表达上调，同时伴随StGA20ox3和StGA3ox2的上调
- 外源GA可逆转ABF4/ABF2的短匍匐茎表型，CCC（GA合成抑制剂）消除对照与转基因株系的差异。
研究结论
异源表达拟南芥ABF4基因在不影响营养生长的前提下显著提高马铃薯体外块茎产量，ABF4通过调控ABA和GA代谢基因表达，在ABA-GA信号串扰中发挥中枢作用，是提高马铃薯产量和抗逆性的潜在候选基因。