近日,中国农业大学园艺学院郭仰东课题组在Plant, Cell & Environment(IF:6.362)在线发表了题为SlTLFP8 reduces water loss to improve water‐use efficiency by modulating cell size and stomatal density via endoreduplication的研究论文。该研究发现番茄TLFP8基因通过核内再复制,调节气孔大小和密度,从而减少水分流失,提高水分利用效率。
SlTLFP8位于细胞核内,无转录激活活性
TLPs是一个独特的转录因子家族,因此,我们利用酵母单杂交分析了SlTLFP8的转录激活活性。结果表明,SlTLFP8没有自动激活活性。为了分析SlTLFP8的表达模式,我们构建了一个SlTLFP8 pro::GUS报告子,并对SlTLFP8在转基因番茄叶片中的表达模式进行了研究,观察了GUS在番茄幼叶叶尖、叶缘和成熟叶全面积的表达,GUS染色面积随着叶片成熟和伸长而扩大。在叶的远轴表皮,GUS在保卫细胞和铺路细胞中表达。GFP标记的SlTLFP8在烟叶中瞬时表达,共聚焦成像显示SlTLFP8定位于细胞核。
图1:SlTLFP8蛋白在烟草表皮细胞中的亚细胞定位
SlTLFP8对番茄抗旱性和失水性的影响
为了检测SlTLFP8是否能够对缺水胁迫做出反应,我们构建了SlTLFP8转基因株系。使用qRT-PCR和western-blot选择两个过表达株(OE13和OE31)进行进一步研究。用CRISPR-Cas9构建SlTLFP8基因敲除突变体。选择两个纯合突变体CR24和CR26进行进一步研究。基于PCR结果,CR24在靶点1和靶点2中分别产生2个bp缺失,而CR26在靶点1和靶点2中分别产生1个bp缺失。在正常条件下,转基因株系与野生型之间没有明显差异。
图2: SlTLFP8转基因植株和野生型植株在水分充足和缺水条件下的表型
SlTLFP8影响气孔密度和气孔大小
SlTLFP8通过调节气孔导度来影响叶片蒸腾作用,主要受气孔大小、气孔密度和气孔孔径的影响。研究人员用显微镜观察了完全展开叶片的气孔特性。通过观察和统计,发现SlTLFP8-OE系的气孔密度低于野生型,而SlTLFP8基因敲除株系的气孔密度高于野生型。我们测量气孔的长度和宽度来估计气孔的大小。SlTLFP8基因敲除株系的气孔大小大于野生型,而SlTLFP8基因敲除株系的气孔大小比野生型小。研究人员还将气孔密度与蒸腾作用和水分利用效率联系起来。气孔密度与蒸腾速率呈正相关。这些结果表明,野生型植物、SlTLFP8-OE系和SlTLFP8基因敲除系之间的耐水性差异主要是由于气孔密度的关系。
图3: 4周龄野生型叶背轴表皮图像,过表达系和敲除系
在本研究中发现了一个影响水分流失和水分利用效率的新基因。SlTLFP8的过度表达降低了气孔密度,导致蒸腾作用减少,从而降低了失水率,增强了耐水性。SlTLFP8改变气孔密度对光合作用、生物量积累和产量无影响。气孔在调节水分利用效率和抗旱性方面起着重要作用。在短期内,植物通过气孔运动对气孔孔径的影响来响应干旱。例如,气孔的开闭,主要受激素ABA水平的调节、光照和营养条件调节。在进化过程中,植物通过改变气孔特性来适应干旱环境。许多研究证实,降低气孔密度是提高水分利用效率和抗旱性的有效工具,在充分灌溉或干旱条件下不会对产量产生负面影响。
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文献链接:https://doi.org/10.1111/pce.13867