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责编 | 王一

2022年8月24日,西北农林科技大学汪勇课题组在国际著名学术期刊Plant Physiology上在线发表了题为“ECERIFERUM1-6A is required for the synthesis of cuticular wax alkanes and promotes drought tolerance in wheat”的研究论文,揭示了TaCER1-6A通过参与小麦叶片表皮蜡质烷烃的生物合成进而增强小麦的抗旱性。

植物表皮蜡质(Cuticular wax) 是一类疏水性有机混合物的总称,主要由脂肪酸、脂肪醇、烷烃、醛、酮、酯等组成,其覆盖在陆生植物地上部分器官的表面,构成了一道天然疏水屏障。植物表皮蜡质最基本功能是限制非气孔性水分散失,能够降低植物表面水分蒸发,使植物具有抗旱保水的功效。同时,植物表皮蜡质还能降低紫外辐射损伤、维持植物表面清洁与表面防水、保护植物避免被病菌侵害、防止昆虫蚕食、阻止器官生殖后融合等功能。在不同的组织和器官中,烷烃是植物表皮蜡质的一类重要化合物。小麦是世界上栽培面积最大、产量最高的粮食作物之一,也是公认的抗旱性较强的粮食作物,其植株表面覆盖着丰富的蜡质层,其组分主要包括:脂肪醇、烷烃和二酮。小麦表皮蜡质的合成分为两条通路:脂肪醇合成通路和烷烃合成通路。该‍课题组前期已揭示小麦表皮蜡质脂肪醇的合成过程,但关于小麦蜡质烷烃的合成机理尚不清楚。

本研究从小麦叶片中鉴定到一个关键的表皮蜡质烷烃生物合成基因TaCER1-6A。研究人员成功利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑和过量表达对TaCER1-6A的功能进行验证 (图1) 。转基因小麦株系叶片表皮蜡质测定表明:TaCER1-6A特异地参与小麦叶表蜡质C27–C33烷烃的生物合成。TaCER1-6A基因编辑系表现出叶片渗透性增加和抗旱性降低,而TaCER1-6A过量表达系表现为叶片渗透性降低和抗旱能力增强,暗示TaCER1-6A在增强小麦抗旱性中起着重要的作用。

图1 CRISPR/Cas9介导编辑小麦TaCER1-6A基因

TaCER1-6A在旗叶和幼苗叶片中高量表达,这与其调控叶片蜡质烷烃的功能相符,同时非生物胁迫和脱落酸 (ABA) 处理均可诱导TaCER1-6A的表达,干旱胁迫和盐处理又显著提高小麦叶片表皮蜡质的含量。TaCER1-6A蛋白定位于内质网 (ER) ,这与其蜡质合成的功能相符 (图2) 。

图2 TaCER1s的表达模式和亚细胞定位

在43份小麦品种 (系) 中共鉴定出TaCER1-6A的三种单倍型 (HapI/II/III) 。有趣的是,HapI存在于41份小麦材料中,而HapII和HapII仅存在于一份小麦材料,表明HapI是现代栽培小麦品种中的主要单倍型。与对照相比,干旱和盐处理导致苗期和开花期叶片中烷烃、脂肪醇、脂肪酸、醛和酯的含量显著增加,包括具有不同链长的大多数同系物。此外,研究人员还鉴定到2个R2R3-MYB转录因子TaMYB96-2D/5D。酵母单杂、双荧光素酶和GUS活性实验均表明:TaMYB96-2D/5D直接结合到蜡质合成基因TaCER1-6A、TaFAR4和TaCER1-1A启动子区调控其表达(图3)。

图3 TaMYB96-2D/5D与TaCER1-6A启动子区的互作分析

综上所述,TaCER1-6A特异地催化小麦叶片蜡质C27–C33烷烃的生物合成,并能增强小麦的抗旱性(图4)。由于TaCER1-6A转基因系并不影响小麦的株型等性状,暗示TaCER1-6A在小麦分子育种改良中选育高烷烃含量的小麦抗旱新品种起着重要的生产意义。

图4 TaCER1-6A催化C27–C33烷烃合成的模式图

西北农林科技大学农学院小麦逆境分子生物学团队的汪勇副教授为论文通讯作者,硕士研究生贺佳佳、本科生李翀照和硕士研究生呼宁为论文共同第一作者。西北农林科技大学农学院王中华教授和加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)的孙瑜琳博士也参与该研究。西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室的黄雪玲博士在小麦的遗传转化过程中提供重要帮助。该研究得到中国博士后科学基金特别资助和陕西省自然科学基金重点项目的支持。

论文链接:

https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiac394/6674518

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