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四川大学刘建全课题组揭示植物水淹低氧适应的新机制

发布时间 :2020年10月29日 浏览量 :532

洪涝灾害是我国发生频率极高、影响范围极大,造成严重经济损失的自然灾害之一。洪涝灾害对植物有多重压力,最显著的应为水淹导致的低氧胁迫;其已成为生态学研究中最重要的科学问题之一,但对这一胁迫适应的分子生物学机制仍然不清楚。


近日,四川大学生命科学学院刘建全课题组New Phytologist在线发表了题为 WRKY33 interacts with WRKY12 protein to up-regulate RAP2.2 during submergence induced hypoxia response in Arabidopsis thaliana 的研究论文,揭示了WRKY33/WRKY12-RAP2.2分子模块调控拟南芥水淹低氧适应的新机制。

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该研究用黑暗水淹处理模拟洪涝灾害胁迫导致的低氧环境,利用多种分子生物学、遗传学和生物化学等方法阐明拟南芥WRKY33/WRKY12-RAP2.2分子功能模块参与水淹胁迫的分子生物学过程。该研究发现,与野生型Col相比较,过表达 WRKY33 基因的拟南芥材料呈现出明显的抗水淹胁迫的表型,例如存活率增加,叶片损伤较小,过氧化物积累少,MDA累积少,低氧响应marker基因表达上调等;与之相反, wrky33 突变体在水淹处理后则呈现相对应的一系列不抗水淹胁迫的表型。以上实验结果表明, WRKY33 基因能够正调控水淹引起的缺氧胁迫。进一步利用酵母双杂交、BiFC、pull-down 和 Co-IP 实验 在分子水平上 阐释了WRKY33 能与WRKY12蛋白相互作用,表型分析发现 WRKY12 基因同样能够正调控水淹引起的缺氧胁迫。

研究人员进一步通过对低氧响应核心转录因子 ERF-VIIs 亚家族基因的启动子分析,发现有四个成员 RAP2.2, RAP2.12HRE1, HRE2 具有WRKY转录因子的顺式作用元件W-box。同时检测了上述四个基因水淹胁迫处理时在WRKY33以及WRKY12的突变体以及过表达中的表达变化,发现只有RAP2.2基因的表达与WRKY33以及WRKY12的表达直接相关,进一步的EMSA和ChIP实验结果表明RAP2.2 是WRKY33和WRKY12的直接靶标。通过qRT-PCR和Western Blot实验,研究人员分别检测了WRKY33WRKY12RAP2.2基因在水淹处理期间的转录和转录后表达。实验结果表明,WRKY33WRKY12RAP2.2更早响应水淹胁迫诱导的低氧,且三者呈现出相似的表达趋势。以上结果皆暗示了WRKY33WRKY12RAP2.2可能的调节作用。通过遗传杂交获得wrky12wrky33双突变体、WRKY12-OEWRKY33-OE双过表达拟南芥材料并进行水淹表型分析发现,wrky12wrky33双突变体相比其各自单突变体及野生型显示出不耐水淹胁迫的表型,而WRKY12-OEWRKY33-OE双过表达植物则显示出最强的耐水淹胁迫抗性,利用二者进行qRT-PCR实验的结果同时表明WRKY12WRKY33共同存在能够增强对RAP2.2的调控。ChIP,Dual-LUC等实验进一步表明,WRKY33 和WRKY12互作增强对RAP2.2 启动子 结合和转录活性。通过遗传杂交,获得 wrky12RAP2.2-OE wrky33RAP2.2-OE 拟南芥材料并进行水淹表型分析发现,过表达 RAP2.2 能分别恢复 wrky12 wrky33 突变体的水淹胁迫表型。以上分子和遗传实验表明 WRKY12 WRKY33 基因能够协同发挥功能调控下游靶基因 RAP2.2 的表达,从而正调控水淹胁迫响应。

研究人员还发现,WRKY33启动子区-685bp 处含有一个ERF-VIIs转录因子特异结合的低氧响应元件HRPE (hypoxia-responsive promoter element) 。分子和遗传实验进一步表明RAP2.2可通过结合HRPE元件正调控WRKY33基因表达发挥反馈调控作用。EMSA,ChIP 和 Dual-LUC 实验在分子水平上表明RAP2.2直接正调控WRKY33基因的表达。对rap2.2 突变体和WRKY33-OE拟南芥材料杂交获得rap2.2WRKY33-OE株系,进一步的表型分析发现过表达WRKY33能部分恢复 rap2.2突变体的水淹胁迫敏感表型。以上实验从遗传上表明RAP2.2可在WRKY33 的上游起作用,形成环式级联调控网络。

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WRKY33/WRKY12-RAP2.2分子功能模块参与拟南芥水淹胁迫的工作模型

综上所述,该研究表明 WRKY33/WRKY12- RAP2.2 形成级联调控模块,协同调控植物对缺氧胁迫的反应。这些结果丰富了低氧信号调控通路,并为 WRKY 转录因子在拟南芥低氧反应中的作用提供了新的认识。模式植物拟南芥耐低氧耐涝机制的解析也为其他作物育种及沿河沿海等地湿地植物的遗传改良提供了很好的参考,对于农业生产和生态保护都具有重要意义。

四川大学生命科学学院博士研究生 唐湖 为本论文第一作者, 刘唤唤 副研究员为通讯联系人,博士研究生 毕浩 刘豹 等参与了实验工作; 刘建全 教授 参与指导实验设计和论文写作。