马铃薯StbZIP1转录因子通过增强抗氧化能力正调控盐碱胁迫响应的机制研究

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Molecular mechanisms of potato (Solanum tuberosum L.) transcription factor StbZIP1 in regulating saline-alkaline stress response through enhanced antioxidant capacity

本研究针对盐碱胁迫严重制约全球作物生产力的问题，聚焦马铃薯bZIP转录因子StbZIP1的功能解析。研究人员通过克隆StbZIP1基因、构建过表达株系，发现该核定位转录因子能够显著提高转基因植株的盐碱耐受性，表现为叶绿素含量增加33%-50%、脯氨酸(Pro)积累提升28%-46%、丙二醛(MDA)含量降低，以及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性分别提高81%-100%、81%-104%和20%-43%。该研究为培育抗逆马铃薯新品种提供了重要基因资源。

　　

土壤盐碱化已成为制约全球农业生产的主要环境胁迫因素，目前影响着约20%的灌溉农田。作为世界第四大粮食作物，马铃薯对环境适应性强但耐盐碱性较差，特别是在中国西北黄土高原地区，超过15%的耕地存在盐碱化问题，导致马铃薯产量和品质显著下降。因此，解析马铃薯耐盐碱分子机制、培育抗逆新品种成为可持续生产的战略需求。

在植物应对非生物胁迫的复杂调控网络中，碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper, bZIP)转录因子是最大的转录因子家族之一，在多种逆境响应中发挥关键调控作用。然而，尽管bZIP转录因子在植物抗旱耐盐中的作用已有较多研究，但其在马铃薯响应盐碱胁迫中的具体机制仍不清楚。

发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》的这项研究，首次系统解析了马铃薯StbZIP1转录因子在盐碱胁迫响应中的功能机制。为了阐明StbZIP1的生物学功能，研究人员以四倍体马铃薯"Favorita"为材料，采用基因克隆、生物信息学分析、亚细胞定位、转基因技术以及生理生化指标测定等多种方法，构建了StbZIP1过表达株系，并系统评估了其在盐碱胁迫下的表型及生理响应。

研究采用的关键技术方法包括：从马铃薯叶片克隆StbZIP1基因并构建植物过表达载体；通过农杆菌GV3101介导的叶盘转化法获得转基因植株；利用激光共聚焦显微镜进行亚细胞定位分析；采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测基因表达；测定叶绿素、脯氨酸、丙二醛含量以及SOD、POD、APX酶活性等生理指标。所有实验均设三个生物学重复，数据采用GraphPad Prism进行统计分析。

StbZIP1克隆和过表达载体构建

研究人员成功从"Favorita"马铃薯叶片中克隆得到441 bp的StbZIP1基因，将其构建到植物表达载体pCAMBIA2300-GFP中，经酶切和测序验证确认载体构建正确。

StbZIP1基因的生物信息学分析

生物信息学分析显示，StbZIP1编码一个146个氨基酸的蛋白质，理论分子量为16.61 KDa，等电点(pI)为9.43。该蛋白含有典型的bZIP转录因子结构特征，包括高度保守的DNA结合碱性区域和相对多样化的亮氨酸拉链区域。二级结构预测显示α-螺旋占55.48%，无规则卷曲占44.52%。理化性质分析表明StbZIP1为不稳定亲水蛋白，无跨膜结构域，含有27个预测磷酸化位点。

StbZIP1的系统发育和序列分析

系统发育分析将StbZIP1归类于bZIP蛋白的A亚家族，与拟南芥AtbZIP12亲缘关系最近，二者在核心DNA结合和二聚化bZIP结构域具有高度序列相似性，提示StbZIP1可能作为AtbZIP12的功能同源物参与类似的胁迫响应通路。

StbZIP1的亚细胞定位

通过农杆菌介导的烟草叶片瞬时转化实验证实，StbZIP1-pCAMBIA2300-GFP的绿色荧光信号与DAPI染色完全共定位于细胞核，而空载体对照的GFP信号则分布于整个细胞，证明StbZIP1为核定位转录因子。

过表达StbZIP1马铃薯的鉴定

通过农杆菌介导的遗传转化获得过表达株系，PCR和qPCR分析证实StbZIP1基因已成功整合到马铃薯基因组中，转基因植株中StbZIP1表达量比野生型(WT)高5.0-6.5倍。

盐碱胁迫下过表达StbZIP1马铃薯植株的表型分析

盐碱胁迫处理12天后，野生型植株出现严重萎蔫且下部叶片完全干枯，而StbZIP1过表达植株萎蔫延迟，顶端叶片保持绿色，表现出明显的胁迫耐受性。虽然两种基因型植株的株高在胁迫下均略有增加，但无显著差异。

过表达马铃薯植株StbZIP1-OE的盐碱耐受性分析

生理指标测定显示，在正常条件下，WT和StbZIP1-OE植株各指标无显著差异。盐碱胁迫12天后，StbZIP1-OE植株的叶绿素含量显著高于WT(33%-50%)；脯氨酸含量比WT高28%-46%；而MDA含量显著低于WT。抗氧化酶活性分析表明，StbZIP1-OE植株的SOD、POD和APX活性分别比WT提高81%-100%、81%-104%和20%-43%。

转基因马铃薯中胁迫响应相关基因的表达

qPCR分析显示，盐碱胁迫下，过表达植株中六个胁迫响应基因(StNCED、StRD29B、StABI5、StP5CS、StSOD和StCAT)的表达量均显著高于WT。其中StP5CS表达量上调至WT的7.8-8.2倍，StRD29B表达量为WT的6.9-7.1倍。

3(pH 8.0)处理12天后OE和WT马铃薯的总RNA。采用2^-ΔΔCt方法评估相对表达量，非胁迫条件下WT植株中的基因表达水平定义为"1"。数据为三个重复的平均值±标准误。组间差异的统计学显著性通过单因素ANOVA确定。*表示p<0.05水平的统计学显著差异'>

研究结论表明，StbZIP1通过增强抗氧化能力正调控马铃薯的盐碱耐受性。该转录因子通过协调调节ABA信号(StNCED、StRD29B、StABI5)、渗透调节(StP5CS)和抗氧化防御系统(StSOD、StCAT)等多个通路，显著提高转基因植株的胁迫耐受性。这些发现不仅深化了对bZIP转录因子在作物胁迫响应中作用机制的理解，而且为马铃薯抗逆育种提供了有价值的基因资源。

讨论部分指出，StbZIP1作为典型的bZIP转录因子，其过表达通过调控下游多个功能基因的表达，形成一个协同的胁迫响应网络。这种多通路协同调控机制与其他作物中已报道的bZIP功能保守，如大豆GmbZIP60和水稻OsbZIP42等。然而，StbZIP1的上游调控机制，特别是其磷酸化修饰和激活信号通路，仍有待进一步解析。此外，本研究主要关注胁迫期间的植物响应，未来需要增加胁迫恢复阶段的评估，以全面了解StbZIP1在农业生产中的应用潜力。

该研究的创新性在于首次系统解析了马铃薯StbZIP1在盐碱胁迫响应中的功能，揭示了其通过增强抗氧化防御系统和渗透调节能力提高植物耐逆性的分子机制，为马铃薯抗逆育种提供了理论依据和基因资源。