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西北农林科技大学果树逆境生物学团队在提高苹果树体对旱区环境的适应性领域取得一系列研究成果

花匠小妙招
2024-11-12 03:23

来源：园艺科学研究中心

苹果是世界四大水果之一，世界苹果生产约有一半来自于我国，而我国苹果的一半以上产自西北地区。黄土高原的特殊气候造就了品质优良的苹果，但同时，旱区的环境问题也对苹果生产的可持续发展造成了比较严重的影响。如何提高苹果树体对旱区环境的适应性一直是科学研究及实践生产的重要目标。近年来， 果树逆境生物学团队在 园艺科学研究中心等平台的技术支撑下，成果丰硕，以2021年为例：

揭示了接种AMF条件下生长素原初相应基因MdGH3-2/12和Md1AA24在苹果响应干旱胁及镉迫中的功能。

植物根系周围存在着大量的微生物，其中包括能够与宿主建立互惠共生体的丛枝菌根真菌（AMF）。研究表明，AMF的共生能够提高植物抗旱性。研究中发现两个生长素原初响应基因MdGH3-2和MdGH3-12均受AMF侵染诱导表达。在苹果中同时干扰MdGH3-2和MdGH3-12，并对转基因植株接种AMF，发现野生型和转基因植株均能与AMF形成共生关系。但是转基因植株根系中AMF的侵染率显著低于野生型。

进一步研究发现，转基因植株根系中的独角金内酯积累低于野生型。干旱胁迫下，接种AMF的转基因植株较野生型更敏感，表现为更高的相对电导率，更低的叶片相对含水量、渗透调节物质含量、活性氧清除能力和气体交换能力。这些研究结果表明，MdGH3-2/12在菌根共生中起重要作用，共生过程的变化将进一步影响苹果植株对干旱胁迫的耐受性。

上述研究结果发表于Horticulture Research（Huang et al 2021）。同时也揭示了MdIAA24与从枝菌根互作提高苹果抗旱性的作用机制，相关研究结果发表在Tree Physiology（Huang et al 2020）。另外，还发现了MdGH3-2/12和MdIAA24能提高苹果对镉胁迫的抗性，相关研究结果分别发表在 Chemosphere（Huang et al 2021）和 Ecotoxicology and Environmental Safety（Wang et al 2021）。

图1. 接种AMF条件下MdGH3-2/12在苹果响应干旱胁迫中的功能分析

相关论文：

Huang et al. Silencing MdGH3-2/12 in apple reduces drought resistance by regulating AM colonization. Horticulture Research, 2021, 8:84.

Huang et al. Silencing MdGH3-2/12 in apple reduces cadmium resistance via the regulation of AM colonization. Chemosphere, 2021, 269: 129407.

Wang et al. Overexpression of auxin response gene MdIAA24 enhanced cadmium tolerance in apple (Malus domestica). Ecotoxicology and Environmental Safety, 2021, 225: 112734.

原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0147-6513(21)00846-0

解析了多巴胺及其合成相关基因在调控苹果抗旱、耐盐碱、抗栽植病及腐烂病和参与果实糖代谢中的功能。

多巴胺是儿茶酚胺的一种，在植物体内有着重要的生理作用，能够调节细胞的多种活动。课题组将多巴胺施加于苹果或者将其合成酶基因在苹果中进行过表达，发现多巴胺能从外源调控或者内源代谢角度调控苹果抗逆和果实的形成。

首先，从不同的研究角度揭示了多巴胺合成酶MdTYDC在苹果抗旱中的作用并阐明了初步的作用机制，研究成果发表在 Scientia Horticulturae（Gao et al 2021）和 Plant Science（Wang et al 2021）。同时，明确了外源多巴胺在提高苹果糖含量和花青苷中的调控作用，相关结果发表在 Scientia Horticulturae（Wang et al 2021）上。另外，揭示了多巴胺合成酶基因MdTYDC在提高苹果耐碱性中的调控作用，研究结果发表于 Frontiers in Plant Science （Liu et al 2021）上。同时，明确了外源多巴胺及过表达MdTYDC在调控苹果腐烂病中的作用，研究结果发表于 Phytopathology （Liu et al 2021）。最后，还解析多巴胺在调控苹果再植病中的功能和作用，再植条件下，外源多巴胺促进了苹果幼苗生长，提高了转化酶、脲酶、蛋白酶和磷酸酶的活性。

16S rDNA和ITS rDNA分析表明，多巴胺对土壤细菌多样性影响较小，但对真菌多样性有明显影响。外源多巴胺改变了土壤细菌和真菌群落的组成。MdTYDC过表达减轻了苹果再植病的影响。此外，MdTYDC过表达通过提高可溶性糖的积累来改善丛枝菌根真菌的定殖，提高再植病防御。相关研究成果发表在 Tree Physiology（Gao et al 2021）。

图2. 过表达MdTYDC提高了苹果的抗旱性

相关论文：

Gao et al. Overexpression of tyrosine decarboxylase (MdTYDC) enhances drought tolerance in Malus domestica. Scientia Horticulturae, 2021, 289: 110425.

Wang et al. Overexpression of the tyrosine decarboxylase gene MdTyDC in apple enhances long-term moderate drought tolerance and WUE. Plant Science, 2021, 313: 111064.

Liu et al. MdTyDc overexpression improves alkalinity tolerance in Malus domestica. Frontiers in Plant Science, 2021, 12: 625890.

Liu et al. Dopamine enhances the resistance of apple to Valsa mali infection. Phytopathology, 2021, doi: 10.1094/PHYTO-08-21-0328-R

原文链接：https://apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/PHYTO-08-21-0328-R?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed

Gao et al. Exogenous dopamine and overexpression of the dopamine synthase gene MdTYDC alleviated apple replant disease. Tree Physiology, 2020, 41: 1524-1541.

研究了苹果自噬相关基因MdATG8i调节干旱及水分利用效率（WUE）的功能机制，为创制高WUE的苹果种质资源提供了理论基础。

自噬在植物响应高温、盐碱、极端干旱以及水淹等多种生物与非生物逆境过程中发挥着重要作用。苹果自噬基因MdATG8i和MdATG5a在自噬泡膜的延伸与成熟过程中发挥重要作用，能够影响自噬的发生。

本团队发现，在长期中度干旱条件下，MdATG8i过表达转基因苹果植株积累的生物量更多，光合速率与水分利用效率均高于野生型。长期中度干旱条件下，过表达MdATG8i通过增强苹果植株自噬活性，改善渗透调节能力，促进保卫细胞活性氧清除以保持气孔开张度，从而维持苹果植株较高的光合速率，介导其对水分利用效率的正向调控。相关结果发表在Horticulture research（Jia et al 2021）。

MdATG8i还参与了苹果响应高温胁迫，后续研究中筛选到一个与其互作的蛋白——MdHARB1。MdHARB1同样能响应高温处理，将其在番茄中过表达，提高了转基因植物对高温胁迫的抗性，相关研究结果发表于 Plant Science（Huo et al 2021）。

以上这些研究不仅为自噬在苹果植株响应干旱等胁迫中的功能及调控机制提供了新见解，同时也为开展苹果耐旱性和高效水分利用的分子定向育种提供了重要的理论借鉴。

图3. 长期干旱下MdATG8i调节WUE的模式图

相关论文：

Jia et al. Overexpression of MdATG8i improves water use efficiency in transgenic apple by modulating photosynthesis, osmotic balance, and autophagic activity under moderate water deficit. Horticulture Research, 2021, 8: 81.

Huo et al. MdHARBI1, a MdATG8i-interacting protein, plays a positive role in plant thermotolerance. Plant Science, 2021, 306: 110850.

原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168-9452(21)00039-X

鉴定了HD-Zip I转录因子MdHB7和MdHB7-like调节苹果植株耐盐和干旱下水分利用效率（WUE）的功能和生理机制，为苹果的抗逆育种提供理论基础和基因资源。

植物特有的HD-Zip I转录因子对于适应不同的非生物胁迫环境具有关键性的作用，但是其在苹果非生物胁迫响应中的功能尚不清楚。

本团队从苹果中克隆获得了两个 HD-ZipI转录因子家族基因MdHB7和MdHB7-like，表达分析表明它们受盐胁迫的诱导显著上调。将它们分别在苹果中过表达和干扰，发现两个基因的过表达均能显著提高苹果植株的耐盐性。进一步的分析表明，二者能够提高植株中的脯氨酸和可溶性糖含量以及K+/Na+比，同时还减少盐胁迫对根系的生长和根系活力造成的损伤。另外，转录组分析及ROS含量测定表明，它们还能够通过促进抗氧化酶相关基因的表达，促进盐胁迫下ROS的清除。以上结果表明MdHB7和MdHB7-like是苹果耐盐性调控中的关键因子。

另一方面，研究还发现这两个基因的过表达，能够通过减少气孔密度，促进光合水平，保持根系活力和导水力等途径，从而显著提高长期干旱下苹果植株的水分利用效率。相关成果发表在 Physiologia Plantarum（Zhao et al 2021）和TOP期刊 Plant and Soil（Zhao et al 2021）、Frontiers in plant science（Zhao et al 2021）。

该研究为进一步研究该类转录因子调节苹果抗旱耐盐的机理提供了基础，并为苹果的分子育种提供了潜在的目标。

图4. MdHB7和MdHB7-like在苹果抗盐抗旱中的功能

相关论文：

Zhao et al. The HD-Zip I tranion factor MdHB7-like confers tolerance to salinity in transgenic apple (Malus domestica). Physiologia Plantarum, 2021, 172(3): 1452-1464.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ppl.13330.

Zhao et al. The gamma-clade HD-Zip I tranion factor MdHB-7 regulates salt tolerance in transgenic apple (Malus domestica). Plant and Soil, 2021, 463: 509-522.

Zhao et al. MdHB-7 regulates water use effciency in transgenic apple (Malus domestica) under long-term moderate water defcit. Frontiers in plant science, 2021, 12: 740492.

原文链接：

筛选了苹果CaCA超家族基因成员，鉴定了其中的CAXs蛋白钙离子转运能力和对非生物胁迫的响应，并解析了CCXs蛋白MdCCX1和MdCCX2调节苹果耐盐的功能和机制，为苹果的抗逆育种提供理论基础和基因资源。

钙离子在植物的生长发育过程中起到重要的作用，而钙离子平衡的保持对于植物的存活是必须的。另外，钙离子信号对于植物的非生物胁迫响应，也具有重要的作用。CaCA (Ca2+/cation antiporter)超家族成员作为钙转运蛋白，对于钙离子平衡和钙信号具有重要的调控作用。

本团队在全基因组水平对苹果中的CaCA超家族成员进行了筛选和克隆，并发现多个MdCAXs蛋白具有钙离子转运功能，能够通过向液泡中转运钙离子从而调节钙平衡。同时， MdCAXs响应不同的非生物胁迫处理。另外，研究发现CCX家族蛋白MdCCX1和MdCCX2还具有钠离子转运能力。它们定位于细胞质膜，能够通过促进钠离子外排从而提高转基因植株的耐盐性。这两个基因的过表达，能够促进盐胁迫下的ROS清除，从而缓解过量ROS积累造成的胁迫损伤。相关成果发表在 BMC Plant Biology（Mao et al 2021），Environmental and Experimental Botany（Yang et al 2021）以及 Frontiers in plant science（Yang et al 2021）上。

该研究表明苹果CaCA家族在非生物胁迫响应和抗性调控方面起到关键性的作用，为后续深入解析该家族通过钙信号及离子转运调节苹果非生物胁迫抗性的分子机制提供了基础。

图5. CAX家族分析及MdCCX1和MdCCX2对盐胁迫的响应机制

相关论文：

Mao et al. Genome-wide analysis of the apple CaCA superfamily reveals that MdCAX proteins are involved in the abiotic stress response as calcium transporters. BMC Plant Biology, 2021, 21(1): 81

Mao et al. MdCCX2 of apple functions positively in modulation of salt tolerance. Environmental and Experimental Botany, 2021, 192: 104663.

Cation/Ca2+ exchanger 1 (MdCCX1), a plasma membrane-localized Na+ transporter, enhances plant salt tolerance by inhibiting excessive accumulation of Na+ and reactive oxygen species. Frontiers in plant science, 2021, 12: 746189.

发现了苹果根皮苷的生物合成参与调控了碳氮积累及平衡。

根皮苷大量积累作为苹果的特有现象，其优异的抗氧化能力和巨大含量表明，根皮苷生物合成可能在苹果生长发育和逆境耐受力中发挥重要作用。

前期研究表明，MdUGT88F1是苹果根皮苷生物合成途径中的关键P2 GT，其介导的根皮苷生物合成在平衡苹果生长和腐烂病抗性发挥重要作用。随后，本团队进一步利用MdUGT88F1转基因苹果植株，发现根皮苷生物合成能稳定MdGLK1/2基因表达，维持叶绿体发育和光合碳固定。同时，根皮苷生物合成与三羧酸循环直接竞争代谢底物乙酰辅酶，限制碳骨架供应，进而抑制氮同化进程中的胞质GS1-AS-ASPG途径，并参与诱导光合碳积累。

该研究表明，苹果MdUGT88F1介导的根皮苷生物合成协同调控碳氮积累，相关结果发表在 Journal of Experimental Botany上（Zhou et al 2021）。该研究不仅为苹果根皮苷生理功能提供了新的见解，同时也将为苹果植株低氮耐受和氮素高效利用改良提供重要理论借鉴。

图6. MdUGT88F1介导的根皮苷生物合成协同调控苹果碳氮积累模式图

相关论文：

Zhou et al. MdUGT88F1-mediated phloridzin biosynthesis coordinates carbon and nitrogen accumulation in apple. Journal of Experimental Botany, 2021: erab410.

原文链接：

绘制了苹果m6A修饰图谱，鉴定了苹果m6A阅读蛋白MhYTP2调控白粉病抗性的分子机制。

N6-甲基腺苷（m6A）阅读蛋白在拟南芥的毛状体形态、发育和形态发生中起着重要作用。然而，m6A阅读蛋白在植物-微生物相互作用中的作用尚不清楚。基于这一问题，本团队鉴定了一个苹果属含YTH结构域的蛋白MhYTP2，并确定其为m6A阅读蛋白。

本研究绘制了苹果m6A修饰图谱，MhYTP2过表达引起部分mRNA的m6A修饰水平发生改变。同时，MhYTP2过表达改变了苹果中部分mRNA的m6A修饰水平，且m6A修饰的位置与mRNA的稳定性有关，外显子区域的m6A会降低mRNA的稳定性，而非翻译区（UTR）的m6A修饰则会稳定相关mRNA。通过RIP-seq和Ribo-seq，发现：苹果白粉病感病基因MdMLO19和谷氨酸脱氢酶1基因MdGDH1L的mRNA是MhYTP2的直接靶标，MhYTP2通过加速MdMLO19所编码mRNA的降解和提高MdGDH1L所编码mRNA的翻译效率，来增强转基因苹果植株的白粉病抗性。此外，MhYTP2还能够调控抗氧化系统的多个成员，包括APX2、PER3、PER42和PER47，这些抗氧化系统相关基因所编码mRNA的翻译效率在MhYTP2超表达苹果植株中均显著提高。

综上所述，本研究结果揭示了苹果m6A基因谱、MhYTP2对m6A基因谱的影响以及m6A在MdMLO19 mRNA稳定性和抗氧化基因翻译效率中的作用。该研究结果发表于 Plant Biotechnology Journal（Guo et al 2021）。

图7. m6A阅读蛋白MhYTP2调控苹果白粉病抗性分子机制模式图

相关论文：

Guo et al. The m6A reader MhYTP2 regulates MdMLO19 mRNA stability and antioxidant genes translation efficiency conferring powdery mildew resistance in apple. Plant Biotechnology Journal, 2021, doi: 10.1111/pbi.13733.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13733

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