本網(wǎng)訊 多倍體育種是作物育種過程中常用的方法之一，染色體加倍后通常表現(xiàn)出生物量增加（產(chǎn)量提高）且抗逆性增強(qiáng)的表型，但其背后的分子機(jī)制目前還不太清楚。近日，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院汪松虎教授和劉永勝教授團(tuán)隊(duì)合作在國際著名的植物學(xué)期刊Plant Physiology上發(fā)表了題為“Chromosome doubling increases PECTIN METHYLESTERASE 2 expression, biomass, and osmotic stress tolerance in kiwifruit ”的研究論文，揭示了獼猴桃染色體加倍導(dǎo)致生物量增加且抗逆性增強(qiáng)的分子機(jī)制。
團(tuán)隊(duì)前期利用秋水仙素處理將二倍體中華獼猴桃‘紅陽（Hongyong, HY）’培育成四倍體，四倍體HY表型出葉片增大，生物量增加的表型，本研究發(fā)現(xiàn)四倍體HY還表現(xiàn)出對滲透脅迫的抗性增強(qiáng)。轉(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn)獼猴桃果膠去甲酯酶基因AcPME2在四倍體中表達(dá)量顯著提高，我們通過在擬南芥、番茄和獼猴桃中過量表達(dá)AcPME2，證實(shí)該基因的過表達(dá)不僅可以提高植株的生物量（其中轉(zhuǎn)基因番茄的果實(shí)也增大），而且增強(qiáng)其對滲透脅迫的抗性。對擬南芥和獼猴桃的深入研究發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，AcPME2基因過表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞壁果膠的甲酯化水平降低，誘導(dǎo)細(xì)胞壁松弛（Cell wall loosening）和軟化，從而增加單個(gè)細(xì)胞的尺寸（Cell size），進(jìn)而導(dǎo)致植株生物量的增加（圖2）；在滲透脅迫的條件下，AcPME2的去甲酯化活性進(jìn)一步增強(qiáng)，過表達(dá)植株細(xì)胞壁果膠的甲酯化水平進(jìn)一步降低，但由于滲透脅迫條件下鈣離子（Ca2+）在細(xì)胞壁中積累，去甲酯的果膠可以與Ca2+結(jié)合形成聚合體，增加細(xì)胞壁的硬度。細(xì)胞壁硬度的增加表現(xiàn)為根部細(xì)胞質(zhì)壁分離（plasmolysis）的加快，并減少滲透脅迫導(dǎo)致的細(xì)胞壁塌陷（Cell wall collapse）。AcPME2過表達(dá)植株根部細(xì)胞的細(xì)胞壁硬度增加，導(dǎo)致細(xì)胞壁不能隨著原生質(zhì)體在滲透脅迫條件下發(fā)生機(jī)械形變（內(nèi)陷），從而增加細(xì)胞壁與原生質(zhì)體之間的機(jī)械拉力，加速質(zhì)壁分離的發(fā)生，且這種增強(qiáng)的機(jī)械拉力能更快地被根部細(xì)胞感知，從而誘導(dǎo)脅迫應(yīng)答基因更快更高地表達(dá)。增強(qiáng)的細(xì)胞壁硬度即可以減少滲透脅迫對植株細(xì)胞的物理性傷害，同時(shí)又能誘導(dǎo)更早的脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)，從而提高了植株對滲透脅迫的抗性。
本研究發(fā)現(xiàn)AcPME2介導(dǎo)的果膠去甲酯化可以動(dòng)態(tài)調(diào)控細(xì)胞壁的硬度，即在正常生長條件下降低細(xì)胞壁的硬度，促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)張從而導(dǎo)致生物量增加；但在滲透脅迫條件下，與Ca2+結(jié)合增加細(xì)胞壁的硬度，提高植株對脅迫的抗性（圖2）。這種動(dòng)態(tài)調(diào)控細(xì)胞壁硬度的機(jī)制可以為同時(shí)提高作物產(chǎn)量和抗逆性的遺傳改良提供新的思路，AcPME2基因在作物育種過程中具有巨大的應(yīng)用潛力。
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院博士后朱妍妍博士為論文的第一作者，劉永勝教授和汪松虎教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合基金項(xiàng)目（U23A20204）和面上項(xiàng)目（32472703）等經(jīng)費(fèi)資助。
論文鏈接：
https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiae475/7754102
