PNAS | 湖南農業大學吳德志團隊揭示“分子剎車”miRNA164d調控大麥耐鹽新機制

禾本科作物是人類糧食的主要來源，包括水稻、小麥、玉米和大麥等。自約一萬年前作物馴化以來，由于起源地和原生境環境不同，作物的耐鹽性已呈現顯著差異。禾本科作物中，大麥耐鹽性最強，小麥次之，而水稻最敏感。研究表明，維持K/Na離子平衡是植物耐鹽性的關鍵生理基礎，高親和性鉀離子轉運蛋白家族成員HKT1;5在維持地上部Na低積累和K/Na離子平衡發揮關鍵作用，是耐鹽改良的關鍵靶標。前期研究發現，大麥HKT1;5負責Na離子由根部向地上部轉運和積累，負向調控耐鹽性；這一發現與小麥、水稻等作物HKT1;5的功能相反。對于耐鹽性強的大麥，如何調控這樣一個“負向”基因？

近日，湖南農業大學/岳麓山實驗室吳德志團隊在國際著名學術期刊

PNAS

該團隊前期通過小RNA測序，鑒定到鹽脅迫條件下miR164d在大麥根中顯著上調，推測其在耐鹽調控上發揮重要作用。該研究首先利用Northern Blot雜交和熒光定量PCR證實miR164d能快速響應鹽脅迫而上調表達，大麥中過表達該小RNA，轉基因植株全生育期耐鹽性均顯著增強。對過表達株系和敲除突變體的離子含量分析表明，miR164d參與調控Na離子由根部向地上部轉運這一生理途徑以實現耐鹽性增強（圖1）。

圖1. miR164d增強大麥耐鹽性

結合降解組測序、RLM-5′RACE和雙熒光素酶報告系統等技術，發現miR164d靶向剪切轉錄因子HvNAC92。構建HvNAC92過表達和基因敲除材料，生理表征發現HvNAC92介導Na離子從根部向地上部轉運，負向調控耐鹽性。原位PCR分析表明HvNAC92主要在根部木質部薄壁組織中表達，佐證其調控Na離子由根部向地上部轉運的分子功能。隨后利用DAP-seq和突變體RNA-seq聯合分析發現HvNAC92能增強HvHKT1;5的表達，通過雙熒光素酶報告系統、酵母單雜、EMSA以及tsCUT&Tag等實驗證實HvNAC92能夠結合HvHKT1;5啟動子的兩個關鍵元件，從而激活其表達（圖2）。

圖2. HvNAC92結合HvHKT1;5啟動子激活其表達

隨后通過基因編輯敲除HvHKT1;5，發現突變植株中地上部Na離子轉運率和積累量顯著降低，實現耐鹽性增強，這與HvNAC92基因敲除材料的結果一致。將miR164d，HvNAC92和HvHKT1;5的轉基因材料在鹽土中種植進行全生育期耐鹽性評價，與苗期結果一致。最后明確了“分子剎車”miR164d精準調控大麥耐鹽性的作用模式：miR164d通過靶向剪切HvNAC92，抑制后者對HvHKT1;5的轉錄激活，從而降低了Na離子由根部向地上部的轉運和實現耐鹽性增強（圖3）。該研究成果為闡明禾本科作物HKT1;5功能分化及耐鹽改良提供重要參考。

圖3. miR164d-HvNAC92-HvHKT1;5模塊精準調控大麥耐鹽性

湖南農業大學/岳麓山實驗室青年教師鄺劉輝博士為第一作者，吳德志教授為通訊作者。阿德萊德大學陳仲華教授、浙江大學張國平教授、沈秋芳副研究員等合作者參與了該研究工作；浙江大學董杰教授課題組提供了技術支持。該研究得到國家自然科學基金項目、湖南省科技創新計劃項目、國家耐鹽堿水稻技術創新中心聯合攻關項目和岳麓山實驗室聯合引進人才項目等資助。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2514555122