Plant, Cell & Environment|中国农大郭仰东课题组发现番茄TLFP8基因通过核内再复制,调节气孔大小和密度

随着全球变暖,淡水资源日益稀缺,可用水资源的减少是农业发展面临的重大挑战。提高植物水分利用效率是提高抗旱性的有效策略。番茄作为世界范围内重要的蔬菜作物,在生产过程中需水量大。利用生物技术提高番茄的水分利用效率,对响应政府农业节水增效的号召具有重要的理论和实际意义。植物可以通过增加水分的吸收或减少水分的散失等途径提高抗旱能力,在这一过程中气孔发挥着重要作用。植物可通过调节气孔开闭和气孔密度调节水分利用效率,从而调控植物抗旱能力。

 

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。

文章来源

 

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

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

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

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。

 

参考文献:

【1】Guo, X. Y., Wang, Y., Zhao, P. X., Xu, P., Yu, G. H., Zhang, L. Y.,Xiang, C. B. (2019). AtEDT1/HDG11 regulates stomatal density and water-use efficiency via ERECTA and E2Fa. New Phytologist, 223(3), 1478-1488. doi:10.1111/nph.15861

【2】Hetherington, A. M., & Woodward, F. I. (2003). The role of stomata in sensing and driving environmental change. Nature, 424(6951), 901-908. doi:10.1038/nature01843

【3】Yoo, C. Y., Pence, H. E., Jin, J. B., Miura, K., Gosney, M. J., Hasegawa, P. M., & Mickelbart, M. V. (2010). The Arabidopsis GTL1 transcription factor regulates water use efficiency and drought tolerance by modulating stomatal density via transrepression of SDD1. Plant Cell, 22(12), 4128-4141. doi:10.1105/tpc.110.078691

 

文献链接:https://doi.org/10.1111/pce.13867

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