表皮蠟質(zhì)(Cuticular wax) 是一類廣泛存在于植物地上組織疏水性化合物的總稱，主要由飽和的長鏈脂肪族化合物組成，包括脂肪醇、脂肪酸、烷烴、醛、酮、酯及少量的三萜、黃酮和甾醇。表皮蠟質(zhì)的基本功能是限制非氣孔性水分散失，降低植物表面水分蒸發(fā)，使植物具有抗旱保水的功效；同時還具有降低紫外輻射損傷、維持植物表面清潔與表面防水、避免植物被病菌侵害、防止昆蟲蠶食等功能。白霜和非白霜是植物表皮蠟質(zhì)的兩種典型表型。前人已鑒定出多個影響小麥蠟質(zhì)白霜和非白霜形成的位點，包括控制白霜形成的兩個位點W1和W2，以及抑制白霜形成的兩個位點Iw1和Iw2。然而，小麥的蠟質(zhì)白霜表型如何被調(diào)控目前仍不清楚。

近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)汪勇課題組在國際著名學(xué)術(shù)期刊Plant Physiology上在線發(fā)表了題為Wheat TaMYB96-2D positively regulates glaucousness and drought tolerance by promoting cuticular wax accumulation的研究論文。該研究揭示R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子TaMYB96-2D通過影響表皮蠟質(zhì)的生物合成正向調(diào)控小麥的白霜表型和抗旱性。

該研究發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，TaMYB96-2A/2B/2D的三基因編輯系呈現(xiàn)出綠色的蠟質(zhì)表型，而TaMYB96-2D的過量表達(dá)系展現(xiàn)出更嚴(yán)重的白霜表型（圖1）。蠟質(zhì)含量測定表明編輯系中旗葉、葉鞘、穗頸節(jié)和穎殼的蠟質(zhì)總量顯著低于野生型，尤其是二酮的含量極大地降低。相反地，過量表達(dá)系中旗葉、葉鞘、穗頸節(jié)和穎殼的蠟質(zhì)總量顯著高于野生型。掃描電鏡觀察揭示編輯系的旗葉遠(yuǎn)軸面、葉鞘、穗頸節(jié)和穎殼呈光滑的表面，無蠟質(zhì)晶體附著；而野生型和過量表達(dá)系的旗葉遠(yuǎn)軸面、葉鞘、穗頸節(jié)和穎殼表面附著大量管狀晶體。此外，TaMYB96-2D的過量表達(dá)還導(dǎo)致了離體失水率和葉綠素浸出率的降低及抗旱性增強，但TaMYB96-2A/2B/2D編輯系的離體失水率升高、葉綠素滲透率增加且抗旱性降低。酵母單雜、雙熒光素酶、GUS活性和ChIP-qPCR實驗均表明：TaMYB96-2D能夠直接結(jié)合到三個二酮生物合成基因TaDMH、TaDMP和TaDMC啟動子區(qū)正向調(diào)控其表達(dá)。

圖1 CRISPR/Cas9介導(dǎo)TaMYB96-2A/2B/2D的突變及小麥不同器官蠟質(zhì)外觀的比較

綜上所述，TaMYB96-2D通過結(jié)合到小麥蠟質(zhì)合成基因TaFARs、TaCER1s、TaDMH、TaDMP和TaDMC的啟動子區(qū)直接激活它們的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)了小麥表皮蠟質(zhì)的正常積累，因此野生型小麥的植株呈現(xiàn)白霜型外觀。在TaMYB96-2s編輯系中，由于TaFARs、TaCER1s、TaDMH、TaDMP和TaDMC等蠟質(zhì)生物合成基因的表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致小麥表皮蠟質(zhì)的積累減少，特別是二酮的含量顯著減少，從而使TaMYB96-2s編輯系呈現(xiàn)綠色外觀（圖2）。該研究不僅闡明了小麥表皮蠟質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制，同時為小麥表皮蠟質(zhì)的抗旱分子育種提供重要的理論和應(yīng)用價值。

圖2 TaMYB96-2D調(diào)控小麥表皮蠟質(zhì)生物合成的模型圖

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥逆境分子生物學(xué)課題組的汪勇副教授為論文通訊作者，已畢業(yè)的碩士研究生李翀照、在讀碩士研究生趙琦琦和羅茜為論文共同第一作者。西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院的碩士研究生周欣怡和張茜也參與了本項研究，西北農(nóng)林科技大學(xué)作物抗逆與高效生產(chǎn)全國重點實驗室的黃雪玲博士在小麥的遺傳轉(zhuǎn)化過程中提供重要幫助。該研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目、陜西省自然科學(xué)基金重點項目和作物抗逆與高效生產(chǎn)全國重點實驗室開放課題的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf668