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武漢植物園在葡萄低溫下乙烯的生物合成調(diào)控路徑取得新進展
乙烯作為一種氣態(tài)植物激素，在植物生長發(fā)育及非生物脅迫響應中發(fā)揮關(guān)鍵作用。前期研究表明，乙烯參與葡萄低溫應答并正調(diào)控其抗寒性，但其在低溫下快速合成的調(diào)控機制尚不清晰。因此，深入解析乙烯在低溫條件下的合成調(diào)控網(wǎng)絡，將為利用乙烯信號通路改良葡萄抗寒性提供重要線索和依據(jù)。
中國科學院武漢植物園園藝作物逆境生物學研究團隊聚焦此科學問題，以葡萄(Vitis vinifera)為研究對象，系統(tǒng)揭示了ACC合成酶(ACS，乙烯合成限速酶)在低溫應答中的調(diào)控模式。研究首先通過全基因組鑒定獲得9個VvACS家族成員，并結(jié)合低溫處理下葡萄根系的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，篩選出響應低溫的候選基因VvACS2、VvACS4和VvACS6。利用CRISPR-Cas9基因編輯與過表達技術(shù)證實，VvACS2是低溫誘導葡萄根系乙烯合成的主要功能基因，其缺失顯著抑制低溫下ACC積累和乙烯的生物生成，而VvACS4和VvACS6的貢獻則不明顯。
為解析VvACS2的上游調(diào)控機制，研究人員整合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、共表達網(wǎng)絡分析和順式作用元件預測，篩選出6個候選上游轉(zhuǎn)錄因子。通過酵母單雜交、雙熒光素酶報告系統(tǒng)和電泳遷移率實驗，發(fā)現(xiàn)VvERF70與VvbHLH30能夠直接結(jié)合VvACS2啟動子并激活其表達。過表達VvERF70或VvbHLH30可顯著上調(diào)VvACS2表達，促進ACC和乙烯積累，并增強根系抗寒性;而相應敲除突變體則喪失低溫誘導乙烯合成的能力，抗寒性明顯下降。
進一步的分子互作實驗證實，VvbHLH30與VvERF70可形成異源二聚體，協(xié)同增強對VvACS2啟動子的轉(zhuǎn)錄激活。此外，VvbHLH30還能直接結(jié)合VvERF70啟動子并激活其表達，提示VvbHLH30位于調(diào)控層級上游，通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控VvERF70，協(xié)同驅(qū)動VvACS2介導的乙烯合成。
綜上，該研究提出了一個完整的VvbHLH30-VvERF70-VvACS2層級調(diào)控模塊，系統(tǒng)揭示了葡萄低溫應答過程中乙烯合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡。該發(fā)現(xiàn)不僅填補了葡萄冷脅迫下乙烯合成調(diào)控機制的空白，也為精準提升葡萄及其他作物抗寒性提供了新思路和分子靶點。
本研究由中國科學院武漢植物聯(lián)合澳大利亞阿德萊德大學食品與葡萄酒學院、云南省農(nóng)業(yè)科學院園藝作物研究所、寧夏農(nóng)林科學院園藝研究所、中國科學院植物研究所、中南民族大學生命科學學院等單位共同完成。研究成果以“A Hierarchical VvbHLH30-VvERF70-VvACS2 Module Orchestrates Ethylene Biosynthesis and Cold Adaptation in Grapevine”為題發(fā)表于植物學期刊Plant Biotechnology Journal。中國科學院武漢植物園侯雨君博士為第一作者，辛海平研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(32272691)、云南省重點研發(fā)計劃(202403AP140029)等項目的資助。
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