HVA1诱导的表观遗传重编程增强转基因天竺葵的非生物胁迫抗性

《Plant Stress》：HVA1-induced epigenetic reprogramming enhances abiotic stress resilience in transgenic Pelargonium graveolens

本研究针对天竺葵(Pelargonium graveolens)在干旱和盐胁迫下生长受限、精油产量低的问题，通过农杆菌介导转化过表达大麦HVA1基因(LEA3组)。结果表明，HVA1通过激活染色质重塑因子(SWI/SNF、PHD finger等)引发表观遗传重编程，显著提高转基因植株的相对含水量、脯氨酸积累和叶绿素保留，降低ROS和MDA水平，最终使精油产量提升约46%，为芳香作物抗逆育种提供了新策略。

　　

在植物王国中，天竺葵(Pelargonium graveolens)以其独特的玫瑰香气而备受青睐，是香水、化妆品和制药工业的重要原料。然而，这种多年生草本植物在生长过程中常常面临干旱和盐胁迫等非生物胁迫的严峻挑战。这些环境压力不仅限制其地理分布，还导致生长受阻、精油产量下降，甚至植株死亡。面对全球气候变化加剧的现状，如何提高作物的抗逆性已成为农业生物技术领域的焦点。

传统育种方法在提高环境胁迫耐受性方面效果有限，而基因工程技术的出现为作物改良提供了新途径。其中，晚期胚胎发生丰富蛋白(LEA)因其在植物抵抗干旱等胁迫中的关键作用而备受关注。大麦(Hordeum vulgare)的HVA1基因属于第3组LEA蛋白，在种子发育后期和幼苗胁迫响应中特异性表达，但其在芳香作物中的抗逆机制尚不清楚。特别是HVA1是否通过表观遗传调控来增强植物的胁迫记忆和适应性，仍有待深入探索。

为了解决上述问题，研究人员在《Plant Stress》上发表了一项创新性研究，首次将HVA1基因导入天竺葵中，并系统阐述了其通过表观遗传重编程增强非生物胁迫抗性的分子机制。

本研究采用了多项关键技术方法：通过农杆菌介导的遗传转化获得HVA1过表达转基因天竺葵株系；利用半定量PCR、实时定量PCR和基因组步移技术验证基因整合与表达；通过病毒诱导基因沉默技术进行功能验证；采用RNA-seq进行转录组分析；通过生理生化指标测定评估胁迫耐受性。研究材料为CSIR-CIMAP提供的天竺葵栽培种。

3.1. 农杆菌介导的转基因植株开发与分子评估

研究人员成功将35S::HVA1构建体导入天竺葵，转化效率达73.4±1.9%。通过分子验证证实HVA1基因的稳定整合，qRT-PCR显示转基因株系中HVA1表达量在胁迫条件下提高约4倍。

3.2. HVA1过表达引起形态学改变

转基因株系表现出显著增加的枝条数量和叶片数，但叶片大小无显著变化。HL3株系的叶茎比提高约1.8倍，精油产量增加约1.6倍，表明HVA1表达与生物量和产量稳定性相关。

3.3. nptII基因拷贝数测定

通过qRT-PCR方法测定转基因拷贝数，发现不同株系携带1-3个拷贝，为后续表型与基因表达相关性分析奠定基础。

3.4. HVA1增强转基因天竺葵的胁迫耐受性

在干旱和盐胁迫处理下，转基因株系特别是HL3表现出更强的耐受性，相对含水量、叶绿素含量和脯氨酸积累显著高于野生型，而活性氧和丙二醛含量显著降低。

3.5. HVA1基因在基因组中的定位

通过基因组步移技术确定T-DNA插入位点，发现其位于基因组的反义区域，未引起插入突变，为转基因安全性评估提供依据。

3.6. HVA1整合改变转录重编程

RNA-seq分析发现6898个差异表达基因，其中3530个上调。染色质重塑因子、组蛋白修饰酶和应激响应蛋白等相关基因显著上调，表明HVA1通过表观遗传调控引发广泛转录重编程。

3.7. HVA1的病毒诱导基因沉默

通过VIGS技术沉默HVA1基因，发现染色质重塑相关基因表达水平下降，证实HVA1在表观遗传调控中的核心作用。

研究表明，HVA1过表达通过激活表观遗传调控网络，引发广泛的转录重编程，从而增强天竺葵的非生物胁迫抗性。这种表观遗传修饰不仅提高了植物的胁迫耐受性，还促进了生长和精油产量，实现了"抗逆与增产"的双重目标。该研究首次揭示了HVA1在芳香作物中的表观遗传调控机制，为作物抗逆育种提供了新思路。通过工程化染色质重塑因子，可以创制具有气候韧性的作物品种，对应对全球气候变化、保障农业可持续发展具有重要意义。

这项研究的创新之处在于将表观遗传学概念与作物抗逆性改良相结合，揭示了外源基因整合引发的内源表观遗传重编程现象。这种"一次转化，多重效应"的策略，为未来作物遗传改良提供了新范式。随着表观遗传学技术的不断发展，基于染色质修饰的作物育种策略有望成为提高作物抗逆性的重要手段。