A maize stress-responsive NAC transcription factor, ZmSNAC1, confers enhanced tolerance to dehydration in transgenic Arabidopsis
- 作者
- Min Lu, Sheng Ying, Deng-Feng Zhang, Yun-Su Shi, Yan-Chun Song, Tian-Yu Wang, Yu Li
- 单位
- Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, The National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement (NFCRI), Beijing 100081, China
- 杂志
- Plant Cell Reports（2012）
- DOI
- 10.1007/s00299-012-1284-2
- 所属领域
- 植物分子生物学与基因工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析玉米逆境胁迫应答NAC转录因子ZmSNAC1的功能，探讨其在提高植物耐脱水性方面的应用潜力。
研究策略
从玉米自交系CN165中克隆ZmSNAC1基因，通过序列分析、表达模式分析、亚细胞定位、转录激活活性检测以及转基因拟南芥过表达后的表型分析（发芽期ABA/渗透胁迫敏感性、苗期脱水耐受性等）系统研究其功能。
研究路线图
核心内容
本研究从玉米自交系CN165中克隆了逆境应答NAC转录因子基因ZmSNAC1，其编码区939 bp，编码312个氨基酸，与水稻SNAC1蛋白一致性达81.1%。表达分析表明，低温、脱水和盐处理均可显著诱导ZmSNAC1在根和茎中上调表达，其中盐处理12小时根中表达量上升超过28倍，同时ABA诱导其表达而水杨酸抑制；亚细胞定位和酵母转录激活实验分别证实该蛋白定位于细胞核并具有转录激活活性。将ZmSNAC1在拟南芥中过表达后，转基因株系在350 mM甘露醇条件下发芽率仅为12%–16%（野生型为63%），在150 mM NaCl条件下为50%–76%（野生型为88%），表明其对渗透和盐胁迫更为敏感；苗期脱水40分钟复水2小时后，转基因幼苗恢复率约68%，显著高于野生型的39%，且离体叶片失水速率更慢。研究证明ZmSNAC1作为ABA依赖信号通路中的核转录激活因子正调控非生物胁迫耐受性，其过表达可增强植物脱水耐受性且无明显多效性表型，为抗旱作物分子育种提供了新的候选基因资源。
创新点
首次克隆并功能鉴定玉米ZmSNAC1基因，证明其是受多种非生物胁迫诱导的核定位转录激活因子；过表达ZmSNAC1显著增强拟南芥脱水耐受性，且转基因植株无明显多效性表型，为抗旱作物分子育种提供了新候选基因。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 玉米(Zea mays) | 非生物胁迫应答通路 | ZmSNAC1 | ZmSNAC1 | 调控 | 从玉米自交系CN165中克隆，受低温、高盐、脱水及ABA诱导表达 |
| 拟南芥(Arabidopsis thaliana) | ABA信号通路/胁迫响应通路 | ZmSNAC1 | ZmSNAC1 | 调控 | 过表达ZmSNAC1导致发芽期对ABA和渗透胁迫超敏，苗期脱水耐受性增强 |
| 酵母(Saccharomyces cerevisiae) | 转录调控 | ZmSNAC1 | ZmSNAC1 | 调控 | 在酵母AH109菌株中验证转录激活活性 |
| 拟南芥原生质体 | 亚细胞定位 | ZmSNAC1 | ZmSNAC1-GFP融合蛋白 | 调控 | 在拟南芥叶肉原生质体中观察到定位于细胞核 |
关键发现
- ZmSNAC1与水稻SNAC1蛋白序列一致性为81.1%，编码区939 bp，编码312个氨基酸，含2个外显子和1个内含子
- 低温处理24 h后根和茎中ZmSNAC1表达上调超过8倍，脱水处理12 h根中上调超15倍，盐处理12 h根中上调超28倍，ABA诱导其表达而SA抑制
- 亚细胞定位显示ZmSNAC1定位于细胞核
- 酵母转录激活实验证实其具有转录激活活性
- 在350 mM D-甘露醇条件下，转基因拟南芥种子发芽率仅12%-16%，而野生型为63%
- 150 mM NaCl下转基因发芽率50%-76%，野生型88%
- 转基因幼苗脱水40 min后复水2 h恢复率约68%（41/60），野生型仅39%（23/59）
- 转基因植株离体叶片失水速率显著低于野生型。
研究结论
ZmSNAC1作为胁迫应答转录因子，通过ABA依赖信号通路正调控非生物胁迫耐受性，过表达可增强植物脱水耐受性，具有应用于培育抗旱作物的潜力。