玉米转录因子ZmLBD1通过调控PGIP1表达增强多重非生物胁迫耐受性的机制研究

本研究针对植物多重非生物胁迫（低磷、盐、干旱）响应机制不明的难题，通过分子生物学、遗传学和转录组学方法，发现玉米转录因子ZmLBD1通过结合ZmCDC48蛋白调控其稳定性，并直接激活下游靶基因PGIP1的表达，显著提升转基因拟南芥和玉米的胁迫耐受性。该研究为作物抗逆育种提供了新靶点和理论依据。

　　

全球范围内，低磷（Pi）、干旱和盐胁迫等非生物逆境严重制约作物生长和产量。据统计，约40%的耕地存在磷匮乏问题，而干旱和盐胁迫可导致作物减产15%-50%甚至更高。植物通过复杂的分子调控网络应对这些胁迫，其中转录因子（TFs）在整合胁迫信号和调控下游基因表达中发挥核心作用。LBD（Lateral Organ Boundary Domain）蛋白是一类植物特有的转录因子，其N端含有高度保守的LOB结构域，C端则高度变异。以往研究主要聚焦于LBD蛋白在器官发育中的功能，而其在非生物胁迫响应中的作用却鲜有报道。

为了填补这一空白，本研究以玉米LBD家族成员ZmLBD1为对象，通过多学科交叉方法系统解析了其在调控多重非生物胁迫耐受性中的分子机制。相关成果发表于《Plant Stress》。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用拟南芥和玉米转基因技术获得ZmLBD1过表达株系和zmcdc48突变体；通过RNA-seq和RT-qPCR进行转录组分析；采用双分子荧光互补（BiFC）、免疫共沉淀（Co-IP）和Pull-down assay验证蛋白质互作；通过电泳迁移率变动分析（EMSA）和双荧光素酶报告基因检测证实转录调控关系；利用体内外降解实验分析蛋白质稳定性；对转基因植株进行系统的表型分析和生理指标测定。

3.1. 过表达ZmLBD1增强转基因拟南芥的干旱胁迫耐受性

在干旱胁迫下，ZmLBD1过表达株系较野生型（WT）表现出更高的存活率（85% vs 4%），叶片萎蔫程度减轻，叶绿素荧光参数（Fv/Fm）更高，离子渗漏、丙二醛（MDA）和脯氨酸含量显著降低，表明其细胞膜稳定性和抗氧化能力更强。

3.2. ZmLBD1调控低磷胁迫下的磷稳态

在低磷条件下，过表达株系叶片和根系中的磷含量显著高于WT，且磷胁迫响应基因PHO2的表达上调，而磷转运蛋白基因PHT1;4的表达无显著变化，说明ZmLBD1通过调控磷稳态相关基因而非直接影响磷吸收来增强低磷耐受性。

3.3. ZmLBD1促进转基因拟南芥的根系发育

系统发育分析表明ZmLBD1与拟南芥中调控侧根形成的AtLBD16同源。在正常和胁迫条件下，过表达株系的根长、根体积、根表面积和侧根数量均显著优于WT，证实ZmLBD1通过促进根系发育增强养分吸收和胁迫适应能力。

3.4. 多重胁迫诱导ZmLBD1蛋白积累

尽管ZmLBD1的转录水平在胁迫下无显著变化，但其蛋白积累在低磷、盐和干旱胁迫下随时间推移显著增加。蛋白酶体抑制剂MG132处理可稳定ZmLBD1蛋白，表明其降解依赖于泛素-蛋白酶体途径（UPS）。

3.5. ZmCDC48与ZmLBD1互作并影响其稳定性

IP-MS筛选发现ZmLBD1与ZmCDC48（细胞分裂周期蛋白48）存在互作。BiFC、Co-IP和Pull-down实验证实两者在细胞核和细胞质中直接结合。体内外降解实验表明ZmCDC48介导ZmLBD1的泛素化降解，而zmcdc48突变体中ZmLBD1稳定性增强。表型分析显示zmcdc48突变体在胁迫下具有更优的株高和根系生长，证实ZmCDC48是胁迫耐受性的负调控因子。

3.6. 转录组分析揭示PGIP1为关键下游靶基因

RNA-seq发现多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白基因PGIP1（AT5G06860）在过表达株系中受低磷、盐和干旱胁迫共同诱导上调。RT-qPCR验证其在转基因拟南芥和玉米中表达显著升高。

3.7. ZmLBD1直接激活PGIP1转录

双荧光素酶报告基因实验显示ZmLBD1可激活PGIP1启动子活性。EMSA证实ZmLBD1通过结合PGIP1启动子中的ABRE顺式作用元件直接调控其转录。在玉米中，ZmPGIP1的表达在过表达株系和zmcdc48突变体中均受胁迫诱导，进一步验证了该调控通路。

本研究揭示了一条新的胁迫响应通路：在正常条件下，ZmCDC48介导ZmLBD1的降解，抑制其功能；在胁迫条件下，ZmCDC48降解被诱导，ZmLBD1蛋白积累，进而直接结合并激活PGIP1的表达，最终增强植物的多重胁迫耐受性。该研究不仅阐明了ZmLBD1-ZmCDC48-PGIP1模块在非生物胁迫响应中的核心作用，还为作物抗逆遗传改良提供了重要的基因资源和理论依据。