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Plant Biotechnology journal|青岛农大王增裕团队发现截短紫花苜蓿SPL8的功能特性导致生物量产量和非生物胁迫耐受性的遗传改良

紫花苜蓿因其适应性强、生物产量高、营养价值高、生物固氮能力显著而被誉为牧草皇后,是世界上最重要、种植最广泛的饲料作物之一。上个世纪,人们为提高苜蓿生物量产量做出了大量努力,但成果有限。与50年前发布的先前品种相比,最近发布的品种的第一次,第二次收获的生物量产量没有表现出改善。尽管生物产量是一个复杂的性状,但近年来利用生物技术提高苜蓿产量取得了成功。提高苜蓿生物量产量的基因工程方法的效率取决于对控制重要农艺性状的特定基因的识别。苜蓿是一种专性异交四倍体植物。来自植物的种子在遗传上是不同的和异质的,基因组序列信息是有限的。由于其遗传复杂性,苜蓿农艺学目标基因的识别非常困难。

 

青岛农业大学王增裕教授团队在Plant Biotechnology journal(IF:8.154)发表了一篇名为“From model to crop: functional characterization of SPL8 in M.truncatula led to genetic improvement of biomass yield and abiotic stress tolerance in alfalfa”的研究论文,研究结果显示MsSPL8下调的苜蓿植物在生物量产量最多提高了43%,此外,MsSPL8的下调导致转基因苜蓿对盐和干旱的耐受性增强。这项研究的结果提供了一种有价值的方法,可以同时提高豆类植物的生物量生产和非生物胁迫耐受性。

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下调SPL8明显加快再生苜蓿

苜蓿植物每年收获多次。在这项研究中,所有收获都是在植物发芽至开花初期进行的。在三个独立的实验中,MsSPL8下调植物除了显着改善分支形成外,没有表现出其他形态上的差异,包括开花时间。这样就可以同步收获控制植物和下调植物。有趣的是,每次收获后,与对照植物相比,MsSPL8下调植物中迅速生长出更多的芽。这表明MsSPL8的下调显着加速了再生长。MsSPL8中生物量产量的增加下调植物是即使在第二收获更突出。就对照而言,所有三个MsSPL8下调植物在第一次收获时均表现出37.9%–43.2%的生物量增产,而在第二次收获时增幅为65.7%–86.3%。在第一和第二收获之间的差异是显著所示。还分析了来自三个独立实验的收获生物量的草料质量。结果表明,与对照相比,MsSPL8下调植物的蛋白质含量或木质素积累没有明显差异。实际上,三个品系中的两个甚至显示出增加的总可消化营养素和相对饲料价值。

 

图1:下调MsSPL8苜蓿明显加快再生

图1: 下调MsSPL8苜蓿明显加快再生

下调SPL8表达可改善苜蓿的非生物胁迫耐受性

截型苜蓿的微阵列分析显示,许多基因受SPL8显着调控,包括CHS,PAP1和DFR,它们是主要的花色苷基因,并且与植物的胁迫反应密切相关。为了评估MsSPL8是否在苜蓿中以类似的方式影响这些基因,我们分析了它们在12种独立的苜蓿植物中的表达水平。RT-qPCR的数据表明,所有三个基因在大幅上调MsSPL8下调植物和在下调MsSPL8过表达植物。在温室中检查了盐和干旱胁迫对转基因植物的影响。在盐处理下,仅1周后,MsSPL8过表达植物就开始变黄。两个星期后,控制也开始枯黄,有的MsSPL8表达植株死亡所示。3周后,过量表达植物和对照植物的一半的70%以上是垂死的,相比之下,在90%以上的的MsSPL8下调植物仍然存活,有的甚至花中。在干旱实验中,停止浇水后1周,所有MsSPL8过表达和一半对照植物枯萎。两个星期后,在表达植株的一半是死了,大部分的控制出现脱水和死样,而MsSPL8下调植物刚开始枯萎。恢复正常的浇水方案后,MsSPL8下调植物迅速恢复,其中大多数存活下来。与此相反,超过二分之一到控制和三分之二MsSPL8表达植株完全死亡,没有与浇水。这些结果表明,SPL8的下调显着增强了苜蓿的抗逆性。同时,SPL8的过表达使植物更易感。

图2:盐胁迫和干旱胁迫对MsSPL8下调或MsSPL8上调的转基因苜蓿植株的影响

图2: 盐胁迫和干旱胁迫对MsSPL8下调或MsSPL8上调的转基因苜蓿植株的影响

 

研究揭示了一种调节豆科植物M.truncatula模型中分支发育和芽构型的新机制,并且我们已经成功地将此知识应用于苜蓿的改良。这项研究表明,MsSPL8的下调通过促进腋芽的形成显着增强了分支,因此,提高了草料生物量的产量并促进了切割后的再生长。此外,MsSPL8的下调还显着增强了转基因苜蓿的耐盐和干旱能力。这项研究的结果为同时提高植物的生物量生产和非生物胁迫耐受性提供了一种有价值的方法。这项研究说明了从模型系统获得的知识如何用于遗传改良商品作物。

 

参考文献:

1Achard, P.Cheng, H.De Grauwe, L.Decat, J.Schoutteten, H.Moritz, T.Van Der Straeten, D. et al. (2006Integration of plant responses to environmentally activated phytohormonal signalsScience31191– 94.

2Annicchiarico, P.Nazzicari, N.Li, X.Wei, Y.Pecetti, L. and Brummer, E.C. (2015Accuracy of genomic selection for alfalfa biomass yield in different reference populationsBMC Genom. 161020.

3Arshad, M.Gruber, M.Y.Wall, K. and Hannoufa, A. (2017An insight into microRNA156 role in salinity stress responses of alfalfaFront. Plant Sci. 8356.

文献链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.12841

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