Over-expression of a \(\gamma\) -tocopherol methyltransferase gene in vitamin E pathway confers PEG-simulated drought tolerance in alfalfa
- 作者
- Jiangtao Ma, Deyun Qiu, Hongwen Gao, Hongyu Wen, Yudi Wu, Yongzhen Pang, Xuemin Wang, Yuchang Qin
- 单位
- Institute of Animal Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; Division of Biomedical Science and Biochemistry, Research School of Biology, The Australian National University, Canberra ACT 2601, Australia
- 杂志
- BMC Plant Biology（2020）
- DOI
- 10.1186/s12870-020-02424-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
紫花苜蓿中γ-生育酚甲基转移酶基因（MsTMT）过表达能否提高PEG模拟干旱胁迫的耐受性，及其潜在机制。
研究策略
通过转基因技术过表达MsTMT基因，比较转基因与对照苜蓿在PEG胁迫下的生理指标、气孔密度、ABA含量及转录组变化，解析抗旱机制。
核心内容
该研究通过转基因技术过表达紫花苜蓿的γ-生育酚甲基转移酶基因MsTMT，以解析其在PEG模拟干旱胁迫下的抗旱功能与调控机制。结果显示，过表达MsTMT使株系17的α-生育酚和总生育酚含量分别提高36%和31%；在PEG胁迫下，转基因株系的脯氨酸含量较对照增加最高达3.5倍，可溶性糖增加49%，瞬时蒸腾效率提高约2倍，瞬时水分利用效率增加17%至28%。机制层面，MsTMT过表达抑制了气孔发育关键转录因子MsSPCH的表达2.6至4.2倍，导致气孔密度在近轴面和远轴面最多分别减少36.6%和22.6%，同时降低ABA含量约40%。转录组分析共鉴定288个差异表达基因，其中176个上调、112个下调，涉及ABA依赖及非依赖途径、ROS清除系统以及WRKY、MYB等转录因子家族。研究首次证明MsTMT通过抑制MsSPCH减少气孔发育、提高水分利用效率，并经由多重胁迫响应通路增强苜蓿抗旱性，为豆科牧草抗旱遗传改良提供了重要候选基因与理论依据。
创新点
首次证明MsTMT通过抑制MsSPCH表达减少气孔密度以提高水分利用效率；阐明其通过ABA依赖和ABA非依赖途径及ROS清除系统增强抗旱性。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 紫花苜蓿（Medicago sativa L.） | 维生素E（生育酚）生物合成途径 | MsTMT | γ-生育酚甲基转移酶（γ-TMT） | 催化 | 过表达使α-生育酚和总生育酚含量分别提高36%和31% |
| 转基因紫花苜蓿 | 气孔发育通路 | MsSPCH | SPCHLESS转录因子 | 调控 | 表达被抑制2.6-4.2倍，导致气孔密度降低，提高水分利用效率 |
| 转基因紫花苜蓿 | ABA生物合成途径 | ABA1, ABA3, NCED3 | — | 催化 | 表达下调，ABA含量降低40% |
| 转基因紫花苜蓿 | ABA响应与信号途径 | RD22, DREB1B, ABI3, ABI4 | — | 调控 | RD22和DREB1B上调，ABI3/4下调，说明涉及ABA依赖和非依赖途径 |
| 转基因紫花苜蓿 | 氧化胁迫响应 | GST | 谷胱甘肽S-转移酶 | 催化 | 表达上调2.3倍，增强ROS清除 |
| 转基因紫花苜蓿 | 氧化胁迫响应 | Laccase | 漆酶 | 催化 | 表达上调，参与抗氧化 |
| 转基因紫花苜蓿 | 转录因子调控 | WRKY, MYB, bZIP, NAC家族基因 | — | 调控 | 多个转录因子基因上调超过2倍，参与胁迫响应 |
关键发现
- 过表达MsTMT使转基因苜蓿株系17的α-生育酚和总生育酚含量分别提高36%和31%
- PEG胁迫后株系16和17脯氨酸含量分别增加2.6和3.5倍，株系3可溶性糖增加49%
- 株系3和17瞬时蒸腾效率分别提高2.1倍和2.0倍，碳同位素Δ值降低0.66-1.07‰，对应WUE增加17-28%
- 气孔密度在近轴面最多减少36.6%、远轴面最多减少22.6%
- MsSPCH表达被抑制2.6-4.2倍
- ABA含量降低40%
- RNA-seq共鉴定288个差异表达基因，其中176个上调、112个下调。
研究结论
MsTMT在苜蓿PEG模拟干旱响应中发挥正调控作用，通过提高生育酚含量、增强ROS清除、抑制气孔发育提高WUE，并通过ABA依赖与非依赖途径参与胁迫响应，是改善苜蓿抗旱性的候选基因。