中国热科院生物所与海南大学三亚南繁研究院在木薯细胞体积调控机制方面取得新进展
作者:陈新 来源:科技处日期: 2024-05-31 点击:

近日,热带作物生物育种全国重点实验室、中国热科院生物所木薯种质创新与品种改良研究团队与海南大学三亚南繁研究院在木薯细胞体积调控机制方面取得新进展,研究团队以木薯纤维素合成酶A1基因启动子(MeCesA1pro)为诱饵,通过酵母单杂交筛库鉴定到三螺旋转录因子MeGT2.6,利用分子互作、木薯遗传转化和表型鉴定等方式,发现MeGT2.6在调控纤维素合成、赤霉素代谢以及碳源分配等方面起着关键的作用,揭示了转录因子MeGT2.6通过增加纤维素合成和活性赤霉素(GA)含量来促进木薯细胞变大的调控机制。

木薯(Manihot esculenta Crantz)是一种重要的热带粮食作物,不仅是超过10亿人的主食,也是饲料生产、食品加工和各种工业应用的重要原材料。木薯茎中富含纤维素和半纤维素,是重要的碳水化合物储存器官。GT2属于三螺旋转录因子家族(Transcription factors, TFs),具有典型的螺旋-环-螺旋-环-螺旋的结构。它由两个DNA结合结构域组成,并特异性结合5'-G(T/A)AA(T/A)-3'元件。研究表明GT-TFs主要参与调节植物发育和应对胁迫,但在调节赤霉素(GA)代谢、纤维素合成和细胞大小等方面鲜有报道。

本研究中以纤维素合成关键酶MeCesA1pro为诱饵,通过酵母单杂交筛库鉴定到三螺旋转录因子MeGT2.6。在转基因株系中,发现MeGT2.6能显著提高木薯植株的株高、茎粗(图1)、茎节细胞大小和次生细胞壁厚度。具体而言,MeGT2.6上调赤霉素20氧化酶1基因(MeGA20ox1)的转录活性,同时下调赤霉素2氧化酶1基因(MeGA2ox1)的表达水平,从而提高了活性赤霉素3(GA3)的含量,致使木薯茎的细胞体积增大显著增加(图2)。此外,MeGT2.6上调MeCesA1的转录活性,促进了纤维素和半纤维素的合成,并增加了次生细胞壁厚度(图3)。最后,MeGT2.6还通过上调转化酶基因(MeNINV1/6)的转录活性,为纤维素和半纤维素的合成提供足够的底物。因此,MeGT2.6是一种具有多重调控功能的转录因子(图4)。

 

图1.木薯MeGT2.6转基因株系的表型分析

图2.MeGT2.6调控细胞大小与次生细胞壁厚度

 

图3.MeGT2.6调控木薯茎中纤维素和半纤维素含量

 

图4.GT2.6通过增加纤维素合成和活性GA含量来促进木薯细胞变大的调控模式图 

该研究成果以“MeGT2.6 increases cellulose synthesis and active gibberellin content to promote cell enlargement in cassava” 为题发表于中科院一区TOP期刊《The Plant Journal》(IF=7.2002)。中国热科院生物所和海南大学联合培养的博士生鲍茹雪为该文第一作者,热带作物生物育种全国重点实验室/中国热科院生物所陈新研究员和海南大学黄东益教授、王文泉研究员为共同通讯作者,海南大学曾长英研究员,中国热科院生物所王海燕博士、周新成博士和李亚军博士参与了研究工作。本研究得到了国家木薯产业技术体系(CARS11),国家自然科学基金(32260509),海南省重大科技计划(ZDKJ20211012)和中国热带农业科学院国家热带农业科学中心科技创新团队(CATASCXTD20230)的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1111/tpj.16813