华中农大在柑橘优异资源低温逆境应答分子调控研究中获系列进展学术资讯

近日，华中农大园艺植物生物学教育部重点实验室柑橘逆境生物学与栽培团队接连在国际植物学期刊Plant Biotechnology Journal与Plant Journal 发表研究论文。题目分别为“ERF9 of Poncirus trifoliata (L.) Raf. undergoes feedback regulation by ethylene and modulates cold tolerance through regulating a glutathione S-transferase U17 gene”（第一作者为博士研究生张杨）和 “ERF108 from Poncirus trifoliata (L.) Raf. functions in cold tolerance by modulating raffinose synthesis through transcriptional regulation of PtrRafS”（第一作者为博士研究生Madiha khan），刘继红教授和李春龙教授为两篇论文的共同通讯作者。

柑橘是我国南方第一大水果产业，在乡村振兴和共同富裕等国家重大战略中发挥重要作用。高海拔地区的低温及冬春季寒潮是影响柑橘产业发展的主要自然灾害。在低温环境中，植物体内会诱发一系列的分子调节机制以应对冻害胁迫。其中，激素信号和转录调控在植物低温应答中占据重要地位，对柑橘抗寒关键转录因子的挖掘和作用机制的解析，可以丰富低温调控网络，为柑橘抗寒遗传改良和创新育种提供优质基因资源。课题组在前期构建柑橘抗寒砧木资源枳低温表达谱的基础上，筛选到了两个重要的乙烯和低温响应转录因子ERF9和ERF108，并围绕两者开展了后续研究。

PtrERF9-PtrGSTU17/PtrACS1模块参与枳低温应答作用图（Zhang et al, Plant Biotechnol J, 2021）

乙烯是一种重要的激素，在植物非生物胁迫应答中占据重要地位，但其在柑橘低温胁迫应答中的作用尚未可知。该团队研究结果显示施加乙烯前体ACC及其前体抑制剂AVG可分别增强和减弱柑橘砧木枳耐寒能力，表明乙烯可以正向调控枳抗寒性。进一步的研究发现，PtrERF9可受乙烯和低温诱导，AVG处理可削弱其在低温下的表达量，这表明PtrERF9低温响应依赖于乙烯调控通路。利用遗传转化方法超表达和沉默该基因证明其正向调控植物抗寒性，分子机制研究表明PtrERF9通过调控下游靶基因谷胱甘肽S-转移酶PtrGSTU17和植物体内ROS稳态，从而在枳抗寒过程中发挥作用。此外，研究还发现该转录因子可靶向调节枳中ACC合成酶基因PtrACS1，进而增加冷胁迫下乙烯生物合成，形成正向反馈调节环，而低温敏感品种柠檬中不存在该反馈调节途径（Zhang et al, Plant Biotechnol J, 2021）。以上研究中，ERF9-GSTU17模块揭示了植物GST酶响应低温的分子机制和转录调节网络，PtrERF9-PtrACS1模块为低温胁迫中乙烯生物合成的转录机制提供了新的见解，同时另一项研究表明，PtrERF108是一个典型的AP2/ERF类转录因子，其表达受低温强烈诱导。在柠檬中超表达PtrERF108可增强植物抗寒性，而干涉该基因则使枳对低温更敏感，表明该转录因子在柑橘抗寒中发挥积极作用。进一步分析显示，PtrERF108可直接调控下游棉子糖合酶靶基因PtrRafS表达，进而调控植株体内RafS的活性和棉子糖含量，以此增强枳抗寒性（Khan et al, Plant J, 2021）。“ERF109-RafS”模块丰富了低温转录调控分子网络，为植物抗寒相关研究提供了重要参考。以上研究为植物激素乙烯及下游转录因子参与枳抗寒性提供新的分子机制，同时PtrERF9-PtrGSTU17/PtrACS1和PtrERF109-PtrRafS模块对下游靶基因及植物代谢通路调控解析丰富了柑橘抗寒应答分子网络，为阐明柑橘不同抗性资源低温应答差异的分子机制和培育抗寒优质新品种奠定了基础。