東北地理所在大豆耐旱分子模塊研究中取得重要進(jìn)展
大豆是全球重要的糧油作物，但干旱脅迫每年導(dǎo)致高達(dá)40%的產(chǎn)量損失。隨著氣候變化加劇，培育耐旱大豆新品種已成為保障糧食安全的迫切需求。面對干旱脅迫，植物會通過關(guān)閉氣孔、積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、清除活性氧（ROS）等多層次防御系統(tǒng)來應(yīng)對逆境。在這些生理響應(yīng)的背后，轉(zhuǎn)錄因子扮演著“總開關(guān)”的角色，精密調(diào)控著大量下游基因的表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。明確轉(zhuǎn)錄因子間的互作模式，對于突破單一基因利用的局限、推進(jìn)多基因聯(lián)合應(yīng)用以提升大豆抗旱性，具有重要的育種價值。然而，目前對于大豆中轉(zhuǎn)錄因子如何通過協(xié)同互作來放大防御信號，從而增強(qiáng)耐旱效果，尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)識。
此前，團(tuán)隊(duì)在野生大豆中鑒定到耐旱基因GsWRKY20基因。在此基礎(chǔ)上，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)創(chuàng)制了栽培大豆GmWRKY20敲除突變體。GmWRKY20敲除后，大豆耐旱性顯著降低，表明GmWRKY20是大豆抗旱性的關(guān)鍵正調(diào)控因子。通過酵母雙雜交篩選，鑒定到其互作蛋白GmbZIP9。單獨(dú)過表達(dá)GmbZIP9能夠提升大豆活性氧清除能力和抗旱水平。GmWRKY20與GmbZIP9共表達(dá)可產(chǎn)生顯著的協(xié)同增效效應(yīng)，使植株在干旱脅迫下的存活率明顯提升（圖1）。上位性分析進(jìn)一步揭示，GmbZIP9的功能發(fā)揮依賴于GmWRKY20的存在。GmANKTM21基因（編碼質(zhì)膜錨蛋白）為GmWRKY20-GmbZIP9復(fù)合物的直接下游靶點(diǎn)。GmWRKY20和GmbZIP9形成的異源二聚體，其轉(zhuǎn)錄激活能力呈現(xiàn)超加性增強(qiáng)效應(yīng)，驅(qū)動GmANKTM21的轉(zhuǎn)錄水平大幅上調(diào)。該研究在大豆中揭示了WRKY與bZIP兩類轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同工作的分子模式，突破了傳統(tǒng)單基因育種思路。通過聚合GmWRKY20和GmbZIP9的優(yōu)異等位基因，有望培育出耐旱性顯著提升的大豆新種質(zhì)，從而為應(yīng)對氣候變化所帶來的糧食安全挑戰(zhàn)提供強(qiáng)有力的科技支撐。
圖1. GmWRKY20與GmbZIP9共表達(dá)協(xié)同增強(qiáng)大豆植株耐旱性
圖2. GmWRKY20與GmbZIP9協(xié)同調(diào)控大豆耐旱性的分子機(jī)制模式圖
研究成果近期發(fā)表在植物科學(xué)國際頂級期刊Plant Physiology（IF=8.2）上，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所特別研究助理焦爽為第一作者，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所翟紅研究員、劉寶輝特聘研究員與東北農(nóng)業(yè)大學(xué)柏錫教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD1201101）、中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2022QNXZ05）和黑龍江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃創(chuàng)新基地項(xiàng)目（JD24A011）的資助。
論文信息：Shuang Jiao, Ke Zhao, Xiaohong Liu, Jianing Zhao, Rui Zhao, Yanting Dong, Longji Shan, Jianing Zhao, Huibing Mu, Dandan Guo, Huaiyuan Qi, Jingwen Zhou, Baohui Liu*, Xi Bai*, Hong Zhai*. A GmWRKY20–GmbZIP9 transcriptional module synergistically activates GmANKTM21 to confer drought tolerance in soybean. Plant Physiology, 2026.
DOI:https://doi.org/10.1093/plphys/kiag421
論文鏈接：https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiag421/8715748
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