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張勁松研究組發現大豆耐鹽新機制

  鹽堿、幹旱等非生物脅迫是制約農業生産的主要環境因素。這些脅迫環境不利于作物生長,造成減産甚至導致植物死亡。大豆是重要的農作物,其需求80%以上需進口。如果能提高大豆的耐鹽能力,一方面有助于增強大豆對災害的抵抗能力,另一方面也可以利用低鹽堿化的土地,增加大豆種植面積,提高産量。最近,張勁松研究團隊發現了一個核因子YNuclear factor Y)複合體的成員GmNFYA,該蛋白參與了組蛋白乙酰化修飾的調控,進而促進下遊耐鹽基因表達,從而提高大豆的耐鹽能力。 

 

  在各種大豆品種之間,GmNFYA基因的編碼區並沒有差異。無論是栽培大豆還是野生大豆,當它們受到鹽脅迫時,GmNFYA基因的表達量都會顯著的提高,暗示大豆的鹽脅迫應答與這個基因的表達量密切有關。在栽培大豆品種JACK中過量表達GmNFYA基因,可以顯著的提高轉基因大豆的抗鹽能力(圖)。深入研究發現,GmNFYA蛋白能與組蛋白去乙酰化酶複合體的組分FVE相互作用,而FVE可與HDA13 (histone deacetylases)互作。GmNFYA可與HDA13競爭結合FVE蛋白。降低FVEHDA13基因表達量能提高大豆植株的耐鹽能力。推測通常條件下,FVE/HDA13複合體對組蛋白H3K9進行去乙酰化修飾,使得附近的耐鹽基因被"關閉"。鹽脅迫後,GmNFYA積累並與HDA13競爭性結合FVE,釋放HDA13,從而有利于保持附近組蛋白H3K9的乙酰化狀態,激活下遊耐鹽基因表達,提高大豆耐鹽性(圖)。進一步分析也鑒定了一個GmNFYA啓動子優異單倍型I,鹽脅迫下該單倍型基因受到GmNFYA蛋白的顯著激活,因而可在將來育種實踐中對該單倍型進行選擇。這項研究揭示了大豆GmNFYA通過調控組蛋白乙酰化提高耐鹽性的機制,對于大豆耐逆育種具有重要借鑒和潛在應用價值。 

 

  上述研究于近期在線發表于Plant Biotechnol J,DOI: 10.1111/pbi.13668)。中國科學院遗传與发育生物学研究所博士後盧龍和工作人員韋偉博士爲本文的共同第一作者。張勁松研究員、陳受宜研究員和張萬科副研究員爲共同通訊作者。本研究得到了中科院重點部署項目、國家自然科學基金等項目資助。 

    

圖: GmNFYA提高轉基因大豆耐鹽性及作用機制 

  上圖: JACK爲對照品種, Null爲轉基因大豆後代分離出的陰性植株。OE-3OE-6OE-8OE-36爲穩定的GmNFYA过表达转基因大豆纯合株系。下圖:GmNFYA提高大豆耐鹽性工作模型。通常情況下,GmHDA13GmFVE互作使組蛋白去乙酰化,抑制耐鹽基因表達。鹽脅迫下,GmNFYA積累並與GmHDA13競爭性結合GmFVE,解除GmHDA13的去乙酰化作用,從而維持組蛋白乙酰化激活耐鹽基因表達,提高大豆耐鹽性。