运用棉花酵母文库发现LEA3基因能够增强棉花抗干旱和盐胁迫-- 迪族网

运用棉花酵母文库发现LEA3基因能够增强棉花抗干旱和盐胁迫

来源：欧易生物　2022-04-21 08:47:26

前言

棉花是世界上天然纤维的主要来源。近年来，气候变化给植物带来的干旱、高盐等渗透胁迫，使棉花产量稳步下降。为适应变化莫测的气候，植物不断进化出复杂而有组织的应对非生物胁迫的反应机制，其中数千个抗性相关基因间的相互作用，在提高植物的抗旱性和耐盐性中发挥着重要作用。功能基因组学研究表明，植物胚胎发育晚期丰富蛋白（LEA）就是这样一种基因，它在植物发育过程中，面对多种环境胁迫时均有表达，对提高植物的抗旱性和耐盐性具有重要作用。

2022年3月，中国农业科学院棉花研究所在International Journal of Biological Macromolecules上发表了题为“Late embryogenesis abundant gene LEA3 (Gh_A08G0694) enhances droughtand salt stress tolerance in cotton”的研究论文，该研究发现LEA3能够增强棉花的抗旱性和耐盐性。该项目中所用的棉花酵母文库由欧易生物构建。

本研究首先对不同物种间的LEA3蛋白进行了系统发育树构建，结果显示LEA3蛋白分为7个不同的分支，且发现了四倍体、二倍体棉花和其他植物中LEA3蛋白的进化关系。此外，本研究对LEA3家族的基因结构、序列重复、启动子上的顺式调控元件功能以及染色体定位等均进行了详细的分析。其中GO分析结果显示GO: 0006950（响应刺激和非生物胁迫的生物过程）是GhLEA3的唯一GO term（图1）。

图1 | LEA3基因在染色体中的分布、基因结构和GO分析

本研究以MG-85陆地棉为实验材料，采用种子水培至三叶期开始进行盐和干旱胁迫处理，并于胁迫后的0-12h和24-48h内，每间隔3h进行样品采集。RT-PCR检测到，在0-48 h的干旱和盐胁迫下，棉花GhLEA3基因在不同组织中的表达量显著增加，尤其是在根和叶中（图2）。

图2 | GhLEA3在干旱和盐胁迫条件下的表达分析

亚细胞定位实验显示，GhLEA3定位在细胞叶绿体。功能验证实验发现，GhLEA3敲除后，棉株对干旱和高盐胁迫的敏感性增强。表现为在干旱和盐胁条件下，GhLEA3敲除后棉株与野生型棉株相比，在形态、生理和分子指标上均出现显著变化，如茎/根鲜重降低，叶绿素含量降低，叶片相对含水量降低，离子渗漏增加；POD含量下降，MDA含量上升等；胁迫相应相关基因表达量下降。这说明GhLEA3 (Gh_A08G0694)基因敲除棉株对干旱和高盐胁迫的敏感性增强。值得注意的是，GhLEA3基因敲除棉株，在自然条件下与野生型无显著生长差异（图3）。

图3 | GhLEA3 敲除棉株在干旱、盐胁迫条件下的生理、生化及相关基因表达分析

同时，在拟南芥中过表达GhLEA3 (Gh_A08G0694)，结果显示Gh_A08G0694基因的过表达增强了植株对干旱和盐胁迫的抗性。具体方法为，首先通过RT-qPCR表达分析，从T2代中筛选出GhLEA3表达量最高的T3纯合子代进行胁迫实验，然后通过观察及检测，结果发现过表达株系在形态、生理和分子指标上表现均优于野生型对照组（图4）。

图4 | GhLEA3 过表达植株在干旱、盐胁迫条件下的生理、生化及相关基因表达分析

为进一步了解LEA3蛋白在干旱胁迫下调控植物生长和增强抗旱性的分子机制，本研究以干旱胁迫条件下的棉花根茎叶为材料，构建了棉花干旱胁迫酵母文库。并以GhLEA3为诱饵，采用酵母双杂交筛选实验，从棉花酵母文库中筛选获得了GhLEA3互作蛋白，并对互作蛋白进行了GO和KEGG分析，发现其中的互作蛋白GhVDAC1主要参与钙信号通路和cGMP-PKG信号通路，互作蛋白GhGAPA参与多种生物途径，如糖原生成和代谢途径。此外，GhVDAC1和GhGAPA受干旱胁迫诱导表达显著，且在GhLEA3敲除的棉株中表达量低于野生型棉株（图5）。

图5 | GhLEA3互作蛋白及表达量分析

总结

本研究发现Gh_A08G0694基因属于LEA3家族，通过与VDAC1、GAPA的相互作用，可以帮助植物进行胁迫信号转导，提高线粒体的稳定性，增强植物的非生物胁迫耐受性，在提高棉花耐盐抗旱性方面发挥着关键作用，本研究为进一步认识和理解棉花耐盐抗旱性的遗传和分子机制提供了重要依据。

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End本文系欧易生物原创

关键词：基因表达相互作用基因结构

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