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​西北农林科技大学张东教授团队解析了转录因子MdWOX11抑制苹果不定芽形成的机制

2022-06-22 14:18:07植物代谢研究
点击上方 植物代谢研究 关注我们您的关注,是对我们最大的支持! 不定芽再生是植物快速繁殖的有效途径,也为植物发育和遗传转化的研究提供了有效的实验体系。苹果作为我国主要果树,其在种业发展中存在育种效率低、自主知识产权品种占比少和种苗无性繁殖效率低等问题,与欧美等国尚存在一定差距,不定芽再生机制对于苹果种业研究具有重要潜在应用价值,主要表现在两个方面:第一,叶盘法是普遍应用的苹果遗传转化方法,提高不定芽再生效率有助于提高苹果遗传转化效率;第二,不定芽再生是苹果种苗的根插等无性繁殖的关键环节,提高不定芽再生效率对于改进苹果种苗无性繁殖技术具有潜在应用价值。迄今为止,已在拟南芥等模式植物中对不定芽再生机制进行了解析,但苹果中对相关机制认识尚十分有限。 近日,西北农林科技大学园艺学院果树发育生物学团队在Horticulture Research在线发表了题为“Transcriptome analysis reveals the regulatory mechanism by which MdWOX11 suppresses adventitious shoot formation in apple”的研究论文。该论文报道了MdWOX11通过结合并诱导细胞分裂素(CTK)合成基因MdCKX5表达促进离体叶片受伤部位CTK的积累,进而促进不定芽形成。这一发现可为提高苹果遗传转化和无性繁殖效率提供新思路。 本研究发现苹果基因型和CTK/IAA比值是影响其叶片形成不定芽的关键因素,并筛选到MdWOX11的表达水平与不定芽形成能力呈负相关,苹果转基因植株中,过表达MdWOX11(MdWOX11-OE)抑制不定芽的再生,干扰MdWOX11(MdWOX11-RNAi)促进不定芽的再生。不定芽诱导培养3-7天后叶片明显增大,可见少量愈伤组织,愈伤组织在大约 2 周时变大,在 21天时,大部分 GL-3 和 MdWOX11-RNAi 转基因叶片表现出明显的白色不定芽,但 MdWOX11-OE 叶片在 21 天时没有形成不定芽(图1)。干扰植株MdWOX11-RNAi中IAA、CTK和ABA的含量显著高于过量表达植株MdWOX11-OE,进一步使用转录组测序揭示MdWOX11-RNAi和MdWOX11-OE转基因苹果植株在不定芽形成不同阶段的基因转录水平变化,共鉴定到8066个差异表达的基因,包括参与IAA、CTK、ABA和GA激素信号通路的基因,在愈伤组织和不定芽发生阶段,野生型GL-3中与CTK 信号通路和芽发育相关的基因表达高于MdWOX11-OE 转基因植株,然而,MdCKX5在MdWOX11-OE转基因植株中的表达高于 GL3和MdWOX11-RNAi 转基因植株。酵母单杂交、双荧光素酶报告基因分析和 ChIP-qPCR试验分析表明MdWOX11可与MdCKX5的启动子体内外结合,双荧光素酶报告基因试验分析表明MdWOX11增强了MdCKX5的启动子活性,暗示MdCKX5作用于MdWOX11的下游调控不定芽的形成。

图1 转录因子MdWOX11 抑制苹果不定芽形成表型和解剖学观察

基于以上结果,提出了MdWOX11调控MdCKX5转录介导苹果不定芽发生工作模型,MdWOX11与MdCKX5的启动子结合并诱导其表达,MdCKX5促进CTK的降解,叶片CTK水平下降,CTK响应基因的低表达抑制不定芽形成,在MdWOX11-RNAi转基因植株中,MdCTKX5的转录受到 MdWOX11低表达的抑制,低MdCKX5 水平限制CTK降解,高CTK含量诱导其响应基因的表达,促进不定芽形成。

图2 MdWOX11调控MdCKX5转录介导苹果不定芽发生工作模型_副本.png

园艺学院张东教授为该论文通讯作者,博士后毛江萍和硕士生马豆豆为共同第一作者。该项研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和学校“双一流”建设专项等项目的资助。 原文链接:https://doi.org/10.1093/hr/uhac080