近日，南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院汪良駒教授團隊在綜合性TOP期刊Journal of Advanced Research（Q1，IF:11.4）上發(fā)表了題為“5-Aminolevulinic acid improves strawberry salt tolerance through a NO–H2O2 signaling circuit regulated by FaWRKY70 and FaWRKY40”的研究論文，揭示了兩個新的轉(zhuǎn)錄因子FaWRKY70和FaWRKY40各自轉(zhuǎn)錄調(diào)控NO和H2O2之間復雜傳導關系，以及進一步調(diào)控Na+的外排、區(qū)隔化分布以及木質(zhì)部截留的效應，為ALA在植物耐鹽栽培上應用提供了理論依據(jù)，為耐鹽植物育種提供了基因資源。

01.研究背景

    鹽脅迫嚴重抑制植物生長發(fā)育。地球鹽漬土覆蓋面積超過8.33億公頃，占地球陸地表面積8.7%。中國近1億公頃的土地屬于鹽漬土。預計到2050年，超過50%的可耕地將受到土壤鹽分影響。草莓（Fragaria × ananassa Duch.）是一種淺根系作物，對鹽分非常敏感。研究提高草莓耐鹽性方法并探索其潛在的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制具有重要科學價值和現(xiàn)實意義。前文提出，5-氨基乙酰丙酸（ALA）能夠誘導鹽脅迫下草莓根系信號物質(zhì)一氧化氮（NO）和過氧化氫（H2O2）積累，后者誘導鈉離子（Na+）截留于根系，從而減少向上運輸，減少葉片積累，達到增強植物耐鹽性的目的。然而，其中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制未被揭曉。

 02研究內(nèi)容

信號分子NO和H2O2介導ALA誘導草莓耐鹽性提高過程不是原先報道的簡單的上下游關系，而是呈環(huán)狀，起到交互調(diào)控作用（圖1）。ALA可以誘導FaNR1和FaRbohD轉(zhuǎn)錄，促進根系NO和H2O2積累。然后，NO上調(diào)FaHKT1基因表達，將Na+離子截留在木質(zhì)部薄壁細胞中，降低汁液中Na+含量；而H2O2上調(diào)FaSOS1和FaNHX1基因表達，它們分別將Na+排到細胞外以降低植物體內(nèi)Na+，或區(qū)隔化至液泡中，既減少離子毒害，又作為無機滲透溶質(zhì)，起到滲透調(diào)節(jié)作用。

圖1 NO和H2O2交互調(diào)節(jié)，介導ALA誘導的草莓耐鹽性

   利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，作者挖掘一個WRKY類轉(zhuǎn)錄因子FaWRKY40。該基因在鹽脅迫下表達受到ALA誘導。將FaWRKY40在大葉煙草（Nicotiana tabacum）和森林草莓（Fragaria vesca）中過表達（圖2），則植株耐鹽性顯著增強；若干擾表達，則森林草莓耐鹽性顯著降低；若用ALA處理，則進一步增強轉(zhuǎn)基因草莓耐鹽性。分析顯示，F(xiàn)aWRKY40通過結(jié)合并激活FaRbohD、FaSOS1和FaNHX1啟動子活性參與調(diào)節(jié)根系中H2O2產(chǎn)生、Na+外排和液泡區(qū)隔的調(diào)節(jié)。

圖2 FaWRKY40促進森林草莓耐鹽性提高

作者還找到一個負調(diào)控因子FaWRKY70，該基因表達被鹽脅迫誘導。作為轉(zhuǎn)錄因子，F(xiàn)aWRKY70能結(jié)合并抑制FaWRKY40、FaNR1和FaHKT1啟動子活性（圖3），消除根系NO積累和Na+截留效應。過表達FaWRKY70將降低森林草莓耐鹽性，而在ALA處理后得到顯著緩解。

圖3 FaWRKY70結(jié)合并抑制FaNR1和FaHKT1啟動子活性

基于上述結(jié)果，作者提出ALA誘導草莓根系信號通路轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及耐鹽性提高的機制模型（圖4）。當草莓單純受到鹽脅迫時，根系FaWRKY70表達上調(diào)；后者直接與FaNR1、FaHKT1和FaWRKY40的啟動子結(jié)合，下調(diào)它們的表達。NO信號減弱，由FaWRKY40調(diào)節(jié)的離子截留機制被抑制，根系吸收的Na+運往地上部，離子毒害引起葉片生理紊亂。如果預先用外源ALA處理，則FaWRYK70表達受抑，FaWRKY40、FaNR1和FaHKT1表達活性上升。然后，FaNR1導致NO生成，上調(diào)FaHKT1表達，木質(zhì)部汁液中Na+被截留在薄壁細胞。FaWRKY40上調(diào)后，可以激活FaRbohD、FaSOS1和FaNHX1啟動子，激活它們轉(zhuǎn)錄和基因表達。該模型包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號分子以及Na+外排、液泡區(qū)隔化分布和木質(zhì)部汁液再分布。它可以順暢解釋ALA改善草莓耐鹽性過程。

03.作者及團隊介紹

論文第一作者為南京農(nóng)業(yè)大學在讀博士生楊豪，南京農(nóng)業(yè)大學汪良駒教授和仲巖副教授為通訊作者。