Cells|浙江大学揭示HvSAMS3调节西藏野生大麦对干旱和盐分胁迫的耐受性

Cells|浙江大学揭示HvSAMS3调节西藏野生大麦对干旱和盐分胁迫的耐受性

2020623日,浙江大学农业与生物技术学院农学系和浙江省作物种质资源重点实验室的研究人员于Cells上发表了一篇题为“The Barley S-Adenosylmethionine Synthetase 3 Gene HvSAMS3 Positively Regulates the Tolerance to Combined Drought and Salinity Stress in Tibetan Wild Barley”的研究文献,该文献揭示了大麦S-腺苷甲硫氨酸合成酶3基因HvSAMS3积极调节西藏野生大麦对干旱和盐分胁迫的耐受性。

文章来源

背景:

干旱和盐分是作物中主要的非生物胁迫源,作物对干旱和盐胁迫的抗性和适应性与胁迫信号的感知和胁迫响应基因的表达有关。SAMS存在于不同的植物组织中,显示出多种生物学功能,它们能改善植物中非生物胁迫耐受性。然而尚无关于SAMS对干旱和盐碱综合胁迫的耐受性方面潜在影响的信息。野生大麦种质包含有用的基因,可作为改良作物的新遗传变异的来源。在这项研究中,通过比较两种西藏野生大麦品种 XZ16 XZ5以及耐盐大麦品种CM72的蛋白质组学反应,研究了干旱和盐度(d + s)对野生大麦胁迫应答的影响。利用病毒诱导的基因沉默技术(VIGS),证实了该蛋白在耐旱和盐胁迫下的分子功能。

 

结果:

由干旱和综合胁迫引起的叶绿体和线粒体超微结构的恶化在CM72中比在两个西藏野生大麦基因型中更为普遍。干旱和盐碱胁迫的大麦幼苗的分生组织细胞的电子显微照片显示出明显的超微结构变化。分生细胞在联合胁迫的植物中明显受损,在CM72中损伤更为明显。

凝胶电泳(2-DE)图

1. XZ5中大麦叶片蛋白质的代表性二维凝胶电泳(2-DE)图

 

在每个2-DE凝胶中,来自叶片的总蛋白被分解成1200多个斑点。进一步比较基因型差异显示,60个蛋白质斑点与干旱和盐分耐性有关,选择了这些蛋白斑点进行MALDI-TOF / TOF MS分析。结果表明,在干旱和盐胁迫共同作用下,SAM3D2)有表达或上调。

蛋白的“斑点视图”

2. 干旱胁迫,盐分胁迫和D+S胁迫下三种基因型XZ5XZ16CM72的叶片中大量差异表达蛋白的“斑点视图”

 

XZ5 克隆了HvSAMS3,以确定其生物学功能。系统发育分析表明,SAM基因在开花植物中是高度保守的,HvSAMS3在根,茎,叶和谷物组织中特异性表达。通过RT-PCR,发现HvSAMS3转录在根、茎中优先积累,而在叶和谷物中检测到相对较低的表达水平。为了研究HvSAMS3亚细胞定位,融合到洋葱表皮细胞的瞬时分析中,结果HvSAMS3-GFP蛋白主要在细胞膜中检测到。

单子叶植物中SAM蛋白的鉴定

3. 单子叶植物中SAM蛋白的鉴定

 

BSMV-VIGS系统在其表达沉默后证明了HvSAMS3的潜在作用。在干旱,盐度和联合胁迫处理下,接种BSMVHvSAMS3的树苗均表现出降低植物生长和耐受性,而幼苗叶片中的K +浓度降低,显著降低了叶片中的SpdSpmPut和乙烯含量,以及PAODAO活性。此外,HvSAMS3沉默降低了SODCATAPX活性以及H2O2含量。

利用大麦条纹花叶病毒诱导的基因沉默(BSMV-VIGS)评价野生大麦XZ5中 HvSAMS3的功能

4. 利用大麦条纹花叶病毒诱导的基因沉默(BSMV-VIGS)评价野生大麦XZ5 HvSAMS3的功能

 

研究了HvSAMS3在干旱和盐分耐受性方面的作用,涉及植物细胞中乙烯和生物素的合成和降解。实验结果表明,外源乙烯在胁迫植物上的施用显著增加了内源乙烯的产量,在组合胁迫下接种BSMVHvSAMS3的植物中其增量幅度较低。胁迫植物的外源生物素补充上调了内源生物素的产生,在组合胁迫下接种BSMVHvSAMS3的植物的增量程度高于对照植物。向胁迫植物施用乙烯和生物素可增加接种BSMVHvSAMS3的幼苗叶片的干重和K+浓度。

野生大麦XZ5中HvSAMS3的BSMV-VIGS功能评估

5.野生大麦XZ5HvSAMS3BSMV-VIGS功能评估

 

结论:

蛋白质组学分析使我们能够鉴定与盐度和干旱胁迫相关的大麦胁迫响应蛋白。HvSAMS3 BSMV-VIGS 证实,该基因与干旱和盐碱条件下的植物生长,PA合成,乙烯生产,生物素生产以及K+ 吸收有关。HvSAMS3D + S胁迫下,也受外源乙烯和生物素的调节。对组合胁迫的耐受性降低与乙烯,生物素和抗氧化酶活性等的抑制有关。我们的发现也可能为耐D + S的大麦和其他农作物的分子育种带来潜在的经济利益。

 

参考文献:

Altieri, M.A.; Nicholls, C.I. The adaptation and mitigation potential of traditional agriculture in a changing climate. Clim. Chang. 2017, 140, 33–45. [CrossRef]

Fita, A.; Rodr í guez-Burruezo, A.; Prohens, J.; Vicente, O. Breeding and Domesticating Crops Adapted to Drought and Salinity: A New Paradigm for Increasing Food Production. Front. Plant Sci. 2015 , 6, 978.[CrossRef]

Barkla, B.J.; Vera-Estrella, R.; Raymond, C. Single-cell-type quantitative proteomic and ionomic analysis of epidermal bladder cells from the halophyte model plant Mesembryanthemum crystallinum to identify salt-responsive proteins. BMC Plant Biol. 2016, 16, 110. [CrossRef]

 

文献链接:

 https://doi.org/10.3390/cells9061530

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2020年6月23日,浙江大学农业与生物技术学院农学系和浙江省作物种质资源重点实验室的研究人员于Cells上发表了一篇题为“The Barley S-Adenosylmethionine Synthetase 3 Gene HvSAMS3 Positively Regulates the Tolerance to Combined Drought and Salinity Stress in Ti
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