禾本科作物是人類糧食的主要來(lái)源，包括水稻、小麥、玉米和大麥等。自約一萬(wàn)年前作物馴化以來(lái)，由于起源地和原生境環(huán)境不同，作物的耐鹽性已呈現(xiàn)顯著差異。禾本科作物中，大麥耐鹽性最強(qiáng)，小麥次之，而水稻最敏感。研究表明，維持K/Na離子平衡是植物耐鹽性的關(guān)鍵生理基礎(chǔ)，高親和性鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族成員HKT1;5在維持地上部Na低積累和K/Na離子平衡發(fā)揮關(guān)鍵作用，是耐鹽改良的關(guān)鍵靶標(biāo)。前期研究發(fā)現(xiàn)，大麥HKT1;5負(fù)責(zé)Na離子由根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)和積累，負(fù)向調(diào)控耐鹽性；這一發(fā)現(xiàn)與小麥、水稻等作物HKT1;5的功能相反。對(duì)于耐鹽性強(qiáng)的大麥，如何調(diào)控這樣一個(gè)“負(fù)向”基因？

近日，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)/岳麓山實(shí)驗(yàn)室吳德志團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊

PNAS

該團(tuán)隊(duì)前期通過(guò)小RNA測(cè)序，鑒定到鹽脅迫條件下miR164d在大麥根中顯著上調(diào)，推測(cè)其在耐鹽調(diào)控上發(fā)揮重要作用。該研究首先利用Northern Blot雜交和熒光定量PCR證實(shí)miR164d能快速響應(yīng)鹽脅迫而上調(diào)表達(dá)，大麥中過(guò)表達(dá)該小RNA，轉(zhuǎn)基因植株全生育期耐鹽性均顯著增強(qiáng)。對(duì)過(guò)表達(dá)株系和敲除突變體的離子含量分析表明，miR164d參與調(diào)控Na離子由根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)這一生理途徑以實(shí)現(xiàn)耐鹽性增強(qiáng)（圖1）。

圖1. miR164d增強(qiáng)大麥耐鹽性

結(jié)合降解組測(cè)序、RLM-5′RACE和雙熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)miR164d靶向剪切轉(zhuǎn)錄因子HvNAC92。構(gòu)建HvNAC92過(guò)表達(dá)和基因敲除材料，生理表征發(fā)現(xiàn)HvNAC92介導(dǎo)Na離子從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，負(fù)向調(diào)控耐鹽性。原位PCR分析表明HvNAC92主要在根部木質(zhì)部薄壁組織中表達(dá)，佐證其調(diào)控Na離子由根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的分子功能。隨后利用DAP-seq和突變體RNA-seq聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)HvNAC92能增強(qiáng)HvHKT1;5的表達(dá)，通過(guò)雙熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)、酵母單雜、EMSA以及tsCUT&Tag等實(shí)驗(yàn)證實(shí)HvNAC92能夠結(jié)合HvHKT1;5啟動(dòng)子的兩個(gè)關(guān)鍵元件，從而激活其表達(dá)（圖2）。

圖2. HvNAC92結(jié)合HvHKT1;5啟動(dòng)子激活其表達(dá)

隨后通過(guò)基因編輯敲除HvHKT1;5，發(fā)現(xiàn)突變植株中地上部Na離子轉(zhuǎn)運(yùn)率和積累量顯著降低，實(shí)現(xiàn)耐鹽性增強(qiáng)，這與HvNAC92基因敲除材料的結(jié)果一致。將miR164d，HvNAC92和HvHKT1;5的轉(zhuǎn)基因材料在鹽土中種植進(jìn)行全生育期耐鹽性評(píng)價(jià)，與苗期結(jié)果一致。最后明確了“分子剎車”miR164d精準(zhǔn)調(diào)控大麥耐鹽性的作用模式：miR164d通過(guò)靶向剪切HvNAC92，抑制后者對(duì)HvHKT1;5的轉(zhuǎn)錄激活，從而降低了Na離子由根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)和實(shí)現(xiàn)耐鹽性增強(qiáng)（圖3）。該研究成果為闡明禾本科作物HKT1;5功能分化及耐鹽改良提供重要參考。

圖3. miR164d-HvNAC92-HvHKT1;5模塊精準(zhǔn)調(diào)控大麥耐鹽性

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)/岳麓山實(shí)驗(yàn)室青年教師鄺劉輝博士為第一作者，吳德志教授為通訊作者。阿德萊德大學(xué)陳仲華教授、浙江大學(xué)張國(guó)平教授、沈秋芳副研究員等合作者參與了該研究工作；浙江大學(xué)董杰教授課題組提供了技術(shù)支持。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家耐鹽堿水稻技術(shù)創(chuàng)新中心聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目和岳麓山實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合引進(jìn)人才項(xiàng)目等資助。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2514555122