Ectopic expression of the ABA-inducible dehydration-responsive chickpea L-myo-inositol 1-phosphate synthase 2 (CaMIPS2) in Arabidopsis enhances tolerance to salinity and dehydration stress
- 作者
- Harmreet Kaur, Pooja Verma, Bhanu Prakash Petla, Venkateswara Rao, Saurabh C. Saxena, Manoj Majee
- DOI
- 10.1007/s00425-012-1781-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
揭示鹰嘴豆中两个MIPS同源基因CaMIPS1和CaMIPS2的差异表达调控机制，特别是CaMIPS2的脱水/ABA响应及其在植物盐、干旱胁迫耐受中的功能优势。
研究策略
通过启动子-GUS融合分析、突变体功能互补、转基因拟南芥过表达，结合生理生化（肌醇含量、MIPS酶活性、叶绿素）测定和多种胁迫处理，比较CaMIPS1和CaMIPS2的功能。
研究路线图
核心内容
该研究以鹰嘴豆为材料，揭示了两个L-肌醇-1-磷酸合酶同源基因CaMIPS1和CaMIPS2在逆境胁迫下的差异调控机制与功能分工。通过启动子-GUS融合分析、突变体功能互补及转基因拟南芥过表达实验，结合肌醇含量、酶活性和叶绿素等生理生化指标的测定，系统比较了两个基因的功能。结果显示，脱水1小时后CaMIPS2的转录积累约为对照的2倍，而CaMIPS1基本不变；外源ABA处理15分钟即可快速诱导CaMIPS2，且其启动子中CRT/DRE顺式元件对脱水诱导表达至关重要，缺失该元件后诱导活性消失。功能互补实验证明两者均能替代拟南芥AtMIPS1的功能，但在200 mM NaCl胁迫下，过表达CaMIPS2的植株较CaMIPS1和对照保留更多叶绿素，盐处理12天后存活率更高，且停止浇水3周后复水恢复最好。该研究说明CaMIPS2在逆境下酶活性更稳定，可持续合成肌醇，从而赋予植物更强的盐、干旱和氧化胁迫耐受性，为理解MIPS基因家族亚功能化及利用该基因改良作物抗逆性提供了依据。
创新点
1. 发现CaMIPS2是ABA诱导的早期脱水响应基因，鉴定出CRT/DRE顺式元件在其脱水诱导表达中的关键作用；2. 证明CaMIPS2在胁迫条件下酶活性更稳定，过表达CaMIPS2比CaMIPS1赋予拟南芥更强的盐和干旱耐受性；3. 通过功能互补验证了CaMIPS1/2在拟南芥体内可替代AtMIPS1的功能。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 鹰嘴豆 (Cicer arietinum) | 肌醇生物合成途径 | CaMIPS1 | L-肌醇-1-磷酸合酶1 (MIPS1) | 催化 | 脱水胁迫下表达基本不变，ABA处理影响较小 |
| 鹰嘴豆 (Cicer arietinum) | 肌醇生物合成途径 | CaMIPS2 | L-肌醇-1-磷酸合酶2 (MIPS2) | 催化 | 早期脱水响应基因，ABA处理15分钟即快速诱导；胁迫条件下酶活性保留较高 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 肌醇生物合成途径 | CaMIPS1, CaMIPS2 | MIPS1, MIPS2 | 催化 | 过表达CaMIPS1或CaMIPS2均增强盐和干旱耐受性，CaMIPS2效果更优 |
| 拟南芥 Atmips1突变体 | 肌醇生物合成途径 | AtMIPS1 | MIPS1 | 催化 | 突变体表现幼苗生长抑制和种子皱缩，CaMIPS1或CaMIPS2表达可互补恢复 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 报告基因分析 | GUS | β-葡萄糖苷酸酶 | 催化 | 用于检测CaMIPS1和CaMIPS2启动子的组织及胁迫诱导活性 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 肌醇生物合成途径 | CaMIPS2启动子（含CRT/DRE） | — | 调控 | CRT/DRE顺式元件对脱水胁迫下CaMIPS2的表达激活至关重要 |
关键发现
- 脱水1h后CaMIPS2转录积累约为对照的2倍，而CaMIPS1基本不变
- 外源ABA处理15min即可快速诱导CaMIPS2
- 脱水胁迫下CaMIPS2启动子驱动的GUS转录比正常条件高10-15倍，缺失CRT/DRE元件后诱导消失
- CaMIPS1和CaMIPS2均能互补Atmips1突变体缺陷（恢复正常根长和种子表型）
- 过表达CaMIPS2的拟南芥在200mM NaCl下比CaMIPS1和对照保留更多叶绿素，成熟植株在盐处理12天后存活率更高
- 在停止浇水3周后复水，CaMIPS2转基因植株恢复最好
- 10μM百草枯处理24h后，CaMIPS2叶片叶绿素损失少于CaMIPS1和对照
- CaMIPS2转基因株系的肌醇含量略高于CaMIPS1株系，且盐胁迫下CaMIPS2 MIPS酶活性保留更多。
研究结论
CaMIPS2是鹰嘴豆中一个ABA诱导、脱水响应的基因，其启动子中的CRT/DRE元件对于脱水诱导表达至关重要。CaMIPS1和CaMIPS2均能在拟南芥中行使MIPS功能，但CaMIPS2在逆境下酶活性更稳定，可持续合成肌醇，因而转基因植物表现出更强的盐、干旱和氧化胁迫耐受性。该研究为理解植物通过肌醇代谢适应逆境以及MIPS基因家族亚功能化提供了证据，并提示CaMIPS2可作为提高作物抗逆性的潜在靶基因。