Heterologous expression of Arabidopsis thaliana rty gene in strawberry (Fragaria x ananassa Duch.) improves drought tolerance
- 作者
- Maofu Li, Yuan Yang, Ali Raza, Shanshan Yin, Hua Wang, Yuntao Zhang, Jing Dong, Guixia Wang, Chuanfei Zhong, Hong Zhang, Jiashen Liu, Wanmei Jin
- 单位
- Beijing Academy of Forestry and Pomology Sciences, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100093, P. R. China; Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops (North China), Ministry of Agriculture, Beijing 100093, P. R. China; Beijing Engineering Research Center for Deciduous Fruit Trees, Beijing 100093, P. R. China; Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement Of Oil Crops, Oil Crops Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences (CAAS), Wuhan 430062, P. R. China
- 杂志
- BMC Plant Biology（2021）
- DOI
- 10.1186/s12870-021-02839-4
- 所属领域
- 植物基因工程
- 关键词
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解决的核心问题
草莓根系纤维浅且分布浅，对干旱胁迫特别敏感，亟需提高其耐旱性以扩大种植区域。本研究旨在探索拟南芥rty基因异源表达对草莓耐旱性的影响及其分子生理机制。
研究策略
从拟南芥中克隆rty基因，构建pBI121-rty植物表达载体（含CaMV 35S启动子和NPTII筛选标记），通过农杆菌介导法转化草莓品种'Honeoye'，经PCR和Western blot鉴定获得转基因株系；系统分析转基因株系与对照在IAA和ABA含量、根发育、表皮毛密度、气孔关闭、水分利用效率、水分散失率、电解质渗漏、抗氧化酶活性及胁迫相关基因表达等方面的差异，并在干旱和PEG模拟干旱条件下进行耐旱性评价。
核心内容
本研究将拟南芥rty基因通过农杆菌介导法转入草莓品种'Honeoye'，获得稳定表达的转基因株系，系统探究其耐旱性提升的生理与分子机制。结果显示，转基因株系内源IAA和ABA含量在胁迫初期及第4天均显著高于对照（如ABA由543.8 ng/g升至963.4 ng/g，对照仅为236.3 ng/g），干旱处理14天后存活率达80%，而对照仅为2%。rty表达促进了不定根数量增加（第9天形成3–5条根，对照1–3条）、叶片表皮毛密度提高（每单位面积50个对30个）以及ABA诱导的气孔关闭百分比约为对照两倍，同时降低水分散失率和电解质渗漏，提高水分利用效率，POD和CAT活性显著上升。RT-qPCR证实IAA与ABA合成及信号通路基因（如PIN1、NCED3、RD29A等）表达上调。该研究首次揭示rty基因通过协同促进IAA和ABA积累改善草莓耐旱性，突破了其传统上仅调控生长素稳态与根发育的认知，为克服植物生长与耐旱性之间的权衡提供了新策略。
创新点
首次证明拟南芥rty基因异源表达于草莓可通过促进IAA和ABA积累协同提高干旱耐受性；揭示了rty基因在ABA和干旱响应中的新功能（此前主要认为其调控生长素稳态和根发育）；提出了利用转基因策略增强水分利用效率和降低水分散失率，从而克服植物生长与耐旱性之间固有权衡的新思路。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | IAA/ABA激素稳态与干旱响应 | rty (来自拟南芥，突变体等位基因 sur1/hls3) | RTY (氨基转移酶/C-S裂解酶) | 催化 | 异源表达rty促进IAA和ABA积累，提高草莓耐旱性 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | 转基因筛选标记 | NPTII | 新霉素磷酸转移酶II | 催化 | 赋予转基因植株卡那霉素抗性，用于转化体筛选 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | IAA生物合成 | YUC1 | 黄素单加氧酶1 | 催化 | 参与IAA生物合成，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | IAA生物合成 | YUC3 | 黄素单加氧酶3 | 催化 | 参与IAA生物合成，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | IAA生物合成 | AAO1 | 醛氧化酶1 | 催化 | 参与IAA生物合成，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | IAA运输 | PIN1 | PIN1生长素外排载体 | 转运 | 介导生长素极性运输，在转基因株系中表达上调，促进根发育 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | IAA信号转导 | ARF7 | 生长素响应因子7 | 调控 | 转录因子，调控侧根形成等生长素响应，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | ABA生物合成 | NCED3 | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶3 | 催化 | ABA生物合成关键酶，干旱胁迫下在转基因株系中表达显著上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | ABA信号转导 | ABI1 | ABA不敏感1蛋白磷酸酶2C | 调控 | ABA信号负调控因子，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | ABA信号转导 | PP2C | 2C型蛋白磷酸酶 | 调控 | 参与ABA诱导的气孔关闭，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | ABA受体与信号 | PYL9 | PYL9 ABA受体 | 调控 | ABA受体，促进抗旱和调节气孔，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | ABA分解代谢 | ABA8 (ABA 8'-羟化酶基因) | ABA 8'-羟化酶 | 催化 | 参与ABA分解代谢，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | 干旱胁迫响应 | RD29A | RD29A脱水响应蛋白 | 调控 | 干旱响应标记基因，在转基因株系中表达显著上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | 干旱胁迫响应 | DREB2A | DREB2A转录因子 | 调控 | 调控多个水胁迫诱导基因，在转基因株系中表达上调 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | 抗氧化防御 | POD | 过氧化物酶 | 催化 | 清除活性氧，转基因株系活性显著高于对照 |
| 草莓 (Fragaria × ananassa Duch.) 品种'Honeoye' | 抗氧化防御 | CAT | 过氧化氢酶 | 催化 | 清除H2O2，转基因株系活性显著高于对照 |
关键发现
- 异源表达rty的草莓转基因株系中，内源IAA含量在第0天和第4天分别为66.0 ng/g和155.3 ng/g，显著高于对照的46.5 ng/g和72.7 ng/g
- 内源ABA含量在第0天和第4天分别为543.8 ng/g和963.4 ng/g，显著高于对照的236.3 ng/g和421.7 ng/g。干旱处理14天后，转基因株系存活率达80%，对照仅2%
- 第14天土壤相对含水量转基因为6.6%，对照为5.3%。转基因植株在第9天形成3-5条根，对照仅1-3条
- 气孔关闭百分比约为对照的两倍
- 叶片下表皮毛密度平均每单位面积50个，对照为30个。转基因植株叶片水分散失率低于对照，水分利用效率提高，电解质渗漏降低
- 过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性显著高于对照。干旱胁迫处理8天时，转基因株系ABA含量为3471.3 ng/g，为对照的1.3倍（对照2635.3 ng/g）。RT-qPCR显示IAA生物合成与信号基因（PIN1、AAO1、ARF7、YUC1、YUC3等）以及ABA生物合成与胁迫响应基因（NCED3、ABI1、RD29A、DREB2A、PP2C、PYL9、MYB44等）在转基因株系中表达上调。
研究结论
rty基因通过促进内源IAA和ABA积累改善了转基因草莓的干旱耐受性，具体表现为增加不定根数量、提高叶片表皮毛密度、促进ABA诱导的气孔关闭，从而减少水分蒸发、提高水分利用效率并降低水分散失率。该研究为利用转基因策略改良草莓耐旱性提供了理论基础，并揭示了rty基因除调控生长发育外的新功能。