南京大學(xué)孫博課題組與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王秀娥課題組合作解析SbWRKY50調(diào)控高粱耐旱性的分子機制

高粱是世界上五大禾本科作物之一，作為原材料廣泛用于食品、飼草、釀酒和生物能源等多個產(chǎn)業(yè)。雖然高粱具有較強的耐旱能力，但干旱脅迫仍是限制高粱產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素。在干旱條件下，高粱早期死亡或嚴重的生長抑制容易發(fā)生在種子的萌發(fā)、出苗和苗期生長階段。在生殖生長階段，水分的缺乏將會顯著推遲開花期，嚴重影響花序的發(fā)育和新葉的產(chǎn)生。在花序發(fā)育階段，水分缺乏將導(dǎo)致每個花序的籽粒數(shù)量減少，而開花后的水分缺乏將會直接導(dǎo)致產(chǎn)量減半。因此，通過抗旱研究培育出耐旱高產(chǎn)的高粱品種，對于提高干旱條件下的高粱產(chǎn)量具有重要意義。然而，目前關(guān)于高粱適應(yīng)干旱的分子機制研究仍然十分匱乏。

近日，南京大學(xué)孫博教授課題組與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王秀娥教授課題組合作在Plant, Cell & Environment在線發(fā)表題為SbWRKY50promotes drought tolerance of sorghum by regulating lateral root formation的研究論文，解析了SbWRKY50調(diào)控高粱耐旱性的分子機制。

該研究首先發(fā)現(xiàn)SbWRKY50在高粱根和幼葉中表達水平最高。通過觀察野生型、SbWRKY50敲除高粱（SbWRKY50-KO）以及SbWRKY50過表達高粱（SbWRKY50-OE）的根部發(fā)育情況，研究人員發(fā)現(xiàn)SbWRKY50-OE高粱的側(cè)根數(shù)量和側(cè)根長度顯著增加。實驗室前期研究結(jié)果表明SbWRKY50參與乙烯信號通路（Chen et al., 2023, New Phytologist）。與野生型相比，乙烯合成相關(guān)基因SbACS1、SbACS2 和SbACS7的表達水平在SbWRKY50-OE的根中顯著降低，在SbWRKY50-KO中顯著升高，表明SbWRKY50可以通過抑制乙烯合成，促進高粱側(cè)根形成。

進一步研究發(fā)現(xiàn)， SbWRKY50通過與PRC1復(fù)合體中的SbBMI1A互作，招募PRC1復(fù)合體至SbACS1、SbACS2 和SbACS7的啟動子區(qū)域，從而引起SbACSs基因上H2Aub富集，抑制它們在根系中的表達并促進側(cè)根形成。側(cè)根發(fā)育是評價植物耐旱的一個重要指標。干旱處理結(jié)果表明，SbWRKY50-OE幼苗的耐旱能力明顯強于野生型，而SbWRKY50-KO弱于野生型。同時，SbWRKY50-OE高粱相對于野生型在干旱處理后側(cè)根數(shù)目顯著增多，側(cè)根長度顯著增長；而SbWRKY50-KO高粱側(cè)根數(shù)目顯著減少，側(cè)根長度顯著縮短。

研究人員隨即進行了田間大棚溫室干旱實驗。在干旱處理下，SbWRKY50-OE高粱比野生型以及SbWRKY50-KO高粱具有更高的綠葉/黃葉比，且其鮮重、干重、每穗粒數(shù)和百粒重均顯著高于野生型和SbWRKY50-KO高粱。因此，SbWRKY50能夠在保持籽粒產(chǎn)量與生物量的基礎(chǔ)上顯著增強高粱在田間的耐旱能力。

圖1SbWRKY50通過抑制乙烯合成調(diào)控高粱耐旱性的作用機制

綜上，該研究揭示了一種由SbWRKY50介導(dǎo)的高粱耐旱分子調(diào)控機制（圖1）。研究結(jié)果一方面為高粱耐旱育種提供了關(guān)鍵基因資源，也有助于揭示植物耐旱的共性規(guī)律，為改良其他作物的抗旱性提供新的潛在靶點。

南京大學(xué)孫博教授、南京大學(xué)陳煒助理教授和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王秀娥教授為該論文共同通訊作者。南京大學(xué)陳煒助理教授以及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王宗寬副研究員為該論文共同第一作者。南京大學(xué)楊永華教授以及淮陰師范學(xué)院陸桂華研究員等參與了該研究工作。該課題得到了南京大學(xué)隊伍建設(shè)科研啟動經(jīng)費、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國重點實驗室開放課題、以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1111/pce.70264