Front Plant Sci|华南农业大学揭示转录因子GmWRKY142通过上调镉耐受性1-like基因赋予镉抗性

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华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室的研究人员于Front Plant Sci上发表了一篇题为“Transcription Factor GmWRKY142 Confers Cadmium Resistance by Up-Regulating the Cadmium Tolerance 1-Like Genes”的研究文献，该文献揭示了转录因子GmWRKY142通过上调镉耐受性1-like基因赋予镉抗性

背景：镉（Cd）是一种对植物和动物均具有毒性的非必需金属微量元素，大豆是重要的油料作物，重金属污染是严重抑制大豆生长并威胁人体健康的重要因素。 由于转录因子通过控制下游基因表达而成为Cd应激反应的关键调节因子，因此转录因子（TFs）可能是Cd排毒和耐受性调节网络中的核心成分。利用Cd胁迫下大豆的mRNA全面转录组，通过qRT-PCR分析鉴定并确认了29个Cd应答性WRKY基因。

结果：

为了进一步表征GmWRKY142，采用qRT-PCR分析组织样品并确定Cd诱导的表达模式。GmWRKY142在根、荚、种子中有更高的表达水平。为了研究Cd胁迫后GmWRKY142的表达模式，将大豆根在不同的时间段内暴露于不同的Cd浓度，观察到镉诱导的GmWRKY142的表达显著上调。

图1. GmWRKY142的表达模式分析

进一步的分析以确认GmWRKY142作为典型转录因子的状态，研究了GmWRKY142的亚细胞定位，仅在细胞核中观察到了GmWRKY142-GFP融合蛋白。在酵母单杂交分析中，携带pGADT7-GmWRKY142和pAbAi-Wbox载体的共转化子可以在含有150 ng/mL AbA的SD/-Leu板上生长。但当W-box序列突变为TAAAAT或TAAAAT时，酵母细胞无法生长，这与空白载体的结果相似。此外，进行了本氏烟草叶的双重荧光素酶测定。最终结果表明GmWRKY142可能转录激活下游靶基因。

图2. GmWRKY142蛋白的序列分析，亚细胞定位和转录活性测定

为了确定GmWRKY142在Cd抗性中的作用，在拟南芥中进行了GmWRKY142的异位表达。在正常生长条件下，WT和GmWRKY142-OE植物之间没有观察到生长发育的差异。但在Cd胁迫下，GmWRKY142-OE植物显示出更高的Cd耐受性。进一步的评估表明，GmWRKY142-OE植物的株高和鲜重显著高于野生型，而WT中的Cd含量更高。

图3. GmWRKY142的过表达赋予转基因拟南芥中增强的Cd耐受性

为了评估GmWRKY142过表达对大豆Cd耐性的影响，使用发根农杆菌介导的转化系统产生了转基因的有毛根。在没有镉的情况下，GmWRKY142转基因和野生型毛状根之间没有发现明显差异。但在用Cd处理的转基因和对照毛状根之间观察到明显的差异。此外，转基因GmWRKY142毛状根中的Cd含量显著低于Cd处理后的WT根中，综合结果表明，GmWRKY142在拟南芥和大豆毛状根中的过表达可以增强Cd耐受性。

图4. GmWRKY142的过表达赋予转基因大豆毛状根增强的Cd耐受性

Cd诱导了GmCDT1-1和GmCDT1-2表达水平，表明这两个基因可能在Cd耐受性中起作用。为了测试GmWRKY142是否可以直接结合已鉴定的W-box，使用GmWRKY142进行了酵母单杂，并将含有原始或突变W-box元素的启动子序列片段作为诱饵。结果表明，GmWRKY142可以与包含原始W-box的选定启动子序列片段相互作用。为了确定GmWRKY142转录因子是否可以激活GmCDT1-1和GmCDT1-2转录，在本氏烟草中进行了双重荧光素酶分析。结果表明GmWRKY142是GmCDT1-1和GmCDT1-2的转录激活因子。

图5. GmWRKY142结合并激活了GmCDT1样基因的启动子

为了探索GdCDT1-1和GmCDT1-2在镉胁迫下的功能，对转基因拟南芥和野生型植物进行了CdCl 2处理。结果表明，GmCDT1-1 OX系（OX 2和5）和GmCDT1-2 OX系（OX D和H）均比WT表现出更高的生物量积累。对Cd胁迫下WT和OX植物中Cd含量的分析表明，在WT植物的根和茎中检测到更高的Cd水平。这些结果表明，拟南芥中GmCDT1-1和GmCDT1-2的过表达可以通过限制Cd的摄取来增强Cd的耐受性。

图6. GmCDT1-1或GmCDT1-2 的过表达拟南芥品系显示出对镉胁迫的耐受性

结论：

在本研究中，我们已经在大豆中鉴定了26个GmWRKY基因上调，3个基因下调。还从大豆中克隆了新的正调控的GmWRKY142基因，并研究了其对Cd耐受性的调控机制。GmWRKY142在根中高表达，被Cd大幅上调，位于细胞核中，并表现出转录活性。GmWRKY142在细胞中的过表达拟南芥和大豆毛状根显著增强了对Cd的耐受性，并导致应激反应基因的大量转录重编程。此外，通过在拟南芥中的异源表达验证了GmCDT1-1和GmCDT1-2降低Cd吸收的功能。综合结果确定GmWRKYs可以应对Cd胁迫，GmWRKY142直接靶向调节相关基因以降低Cd吸收并积极调节Cd耐受性。总之，GmWRKY142-GmCDT1-1/2级联模块可用于潜在地生产对Cd胁迫具有耐受性且可食部分Cd积累减少的大豆。

DOI:10.1104/pp.20.00377