棉花GhPLATZ01与GhPLATZ15转录因子异源表达增强番茄抗旱性的机制研究

《BMC Plant Biology》：Overexpression of cotton PLATZ transcription factors GhPLATZ01 and GhPLATZ15 improves the drought resistance of tomato

本研究针对植物干旱胁迫响应机制不足的问题，通过异源表达棉花GhPLATZ01和GhPLATZ15转录因子，系统解析其在番茄中调控抗旱性的作用。结果表明，转基因番茄通过提升叶绿素含量、相对含水量（RWC）和脯氨酸（Pro）积累，降低丙二醛（MDA）含量和相对电导率（REC），并激活抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性及相关基因表达，显著增强抗旱性。该研究为作物抗逆育种提供了新靶点和遗传资源。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为限制作物产量和品质的关键非生物胁迫因素。植物在长期进化过程中形成了复杂的应激响应机制，其中转录因子作为调控网络的核心节点，在逆境信号转导中发挥重要作用。PLATZ（Plant AT-rich sequence and zinc-binding）蛋白家族是一类植物特有的锌指转录因子，能够特异性识别AT-rich序列，但其在作物抗逆性调控中的功能尚待深入挖掘。棉花作为重要的经济作物，其基因组中PLATZ家族成员数量显著多于其他双子叶植物，暗示该家族在棉花逆境适应中可能具有独特功能。

为探究GhPLATZ基因在抗旱中的作用，研究人员选取与拟南芥AtPLATZ11（AT4G17900）同源的两个E亚族基因GhPLATZ01和GhPLATZ15作为研究对象。通过定量PCR分析发现，干旱胁迫下棉花中GhPLATZ01和GhPLATZ15的表达显著上调，峰值分别达对照组的3.42倍和3.98倍，表明其可能参与干旱响应。生物信息学分析显示，二者蛋白结构均以随机卷曲为主（占比超72%），三级结构分别与木槿SIP1.2（具水通道活性）和杨树BBX蛋白（参与干旱响应）高度相似，且互作网络预测其与DREB家族等逆境相关转录因子存在关联。

为验证功能，研究团队通过农杆菌介导法将GhPLATZ01和GhPLATZ15转入番茄品种"亚新87-5"，获得稳定转基因株系。表型观察发现，干旱处理7天后野生型番茄出现严重萎蔫，而转基因植株仅轻微萎蔫；处理17天后，转基因植株仍保持较高活力。生理指标检测表明，转基因番茄在干旱胁迫下叶绿素a、b及总叶绿素含量显著提升（增幅达67.54%-91.26%），相对含水量（RWC）提高20%以上，相对电导率（REC）和丙二醛（MDA）含量分别降低24%-29%，脯氨酸（Pro）积累增加76%-105%。这些结果说明转基因植株通过增强光合能力、维持细胞膜稳定性和渗透平衡来抵御干旱。

在分子机制层面，转基因番茄中抗氧化酶基因（SIAPX、SISOD、SIPOD、SICAT）表达量显著上调（最高达322%），酶活性同步增强（SOD、POD、CAT活性增幅达62%-108%）。同时，渗透调节关键基因SlP5CS（吡咯啉-5-羧酸合成酶）和SlLTP1（脂质转移蛋白1）表达量也显著提升，进一步证实GhPLATZ01/15通过协同调控抗氧化防御和渗透调节途径增强抗旱性。

关键技术方法

本研究利用TM-1棉花标准系和番茄"亚新87-5"为材料，通过qRT-PCR分析基因表达模式，克隆GhPLATZ01/15并构建pCAMBIA2300过表达载体，通过农杆菌介导的遗传转化获得转基因番茄株系。采用持续干旱处理（0/7/17天）模拟胁迫条件，测定生理指标（RWC、REC、MDA、Pro、叶绿素含量及抗氧化酶活性），并结合基因表达分析（qRT-PCR）解析分子机制。

研究结果

1. GhPLATZ01&15在棉花干旱胁迫下的表达分析

通过qRT-PCR发现，GhPLATZ01和GhPLATZ15在干旱胁迫下表达量持续上升，峰值出现在24小时，表明其早期响应干旱胁迫。

2. GhPLATZ01&15基因的生物信息学分析

基因结构分析显示二者均含4个编码区，蛋白二级结构以随机卷曲为主。三级结构模拟提示其可能通过类似水通道蛋白（SIP1.2）和BBX蛋白的机制参与抗旱。

3. 过表达GhPLATZ01和GhPLATZ15提高转基因番茄叶绿素含量

转基因番茄叶绿素a、b及总叶绿素含量显著高于野生型，表明GhPLATZ01/15可能通过调控叶绿素合成增强光合能力。

4. 过表达GhPLATZ01和GhPLATZ15增强番茄抗旱性

干旱胁迫下转基因植株萎蔫程度显著轻于野生型，证明其抗旱表型增强。

5. 过表达GhPLATZ01和GhPLATZ15减轻干旱胁迫对番茄细胞膜的损伤并促进渗透调节物积累

转基因植株RWC和Pro含量显著提升，REC和MDA含量降低，说明其通过减少膜脂过氧化和增强渗透调节维持细胞稳态。

6. 过表达GhPLATZ01和GhPLATZ15维持高抗氧化酶活性

SOD、POD、CAT活性在转基因植株中显著升高，表明其抗氧化系统被激活以清除活性氧（ROS）。

7. 过表达GhPLATZ01和GhPLATZ15维持抗氧化酶基因高表达

SlAPX、SlSOD、SlPOD、SlCAT及SlP5CS、SlLTP1基因表达量在转基因植株中显著上调，证实GhPLATZ01/15通过转录调控增强抗旱相关通路。

结论与讨论

本研究系统阐明了棉花GhPLATZ01和GhPLATZ15转录因子在番茄中通过多重机制增强抗旱性的作用：一方面通过提升叶绿素含量和水分保持能力（RWC）维持光合作用；另一方面通过激活抗氧化酶系统（SOD/POD/CAT）和渗透调节基因（SlP5CS/SlLTP1）减轻氧化损伤和膜脂过氧化（MDA），同时促进脯氨酸积累以维持细胞渗透平衡。该研究不仅揭示了PLATZ家族在非生物胁迫响应中的新功能，为作物抗逆遗传改良提供了关键靶点，也为理解植物转录因子跨物种功能保守性提供了实证。相关成果发表于《BMC Plant Biology》，对应对全球气候变化下的农业可持续生产具有重要理论价值与应用前景。