大麦核帽结合复合体亚基HvCBP20与HvCBP80在生殖发育阶段干旱适应中的差异化调控机制研究

《Environmental and Experimental Botany》：Barley nuclear cap-binding complex subunits, HvCBP20 and HvCBP80, play distinct roles in drought adaptation at reproductive phase of development

本研究聚焦干旱胁迫下大麦核帽结合复合体(CBC)亚基HvCBP20和HvCBP80的功能分化。通过构建单突变及双突变体，发现HvCBP80突变通过激活光合相关基因增强光合效率，而HvCBP20突变则延长ABA信号通路响应。研究揭示了CBC在转录组重编程和干旱适应性中的核心作用，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

干旱是制约作物产量的主要环境因素，而植物通过生理、形态和分子层面的适应性机制应对水分短缺。其中，脱落酸(ABA)信号通路在干旱响应中起核心作用，调控气孔关闭和胁迫相关基因表达。近年来研究发现，核帽结合复合体(CBC)——由CBP20和CBP80组成的异源二聚体——不仅参与pre-mRNA剪接、miRNA生物合成等RNA代谢过程，还与ABA信号传导密切相关。然而，CBC作为一个整体复合物在植物发育和胁迫响应中的生物学功能仍未被充分探索。

大麦作为全球第四大谷物和温带禾谷类作物抗逆研究的模式植物，是研究这一问题的理想体系。先前研究表明，大麦hvcbp20.ab TILLING突变体在苗期表现出改良的持水性、气孔关闭效率和表皮蜡质沉积，但CBC介导的抗旱性在生殖发育阶段（如孕穗期）是否依然存在尚不清楚。此外，CBP20和CBP80亚基在干旱响应中是否存在功能分化，以及双突变体是否表现出叠加或协同效应，仍有待阐明。

为此，波兰西里西亚大学的研究团队在《Environmental and Experimental Botany》上发表论文，系统分析了大麦CBC单突变体(hvcbp20.ab、hvcbp80.b)和双突变体(hvcbp20.ab/hvcbp80.b)在孕穗期遭受干旱及复水后的生理、形态和转录组响应。研究通过整合RNA-seq转录组分析、光合参数测定、气孔特性观察、ABA敏感性实验以及产量性状考察，揭示了两个亚基在干旱适应中的独特作用。

研究采用的主要技术方法包括：利用TILLING突变体技术和杂交育种获得纯合突变体材料；在孕穗期通过控制土壤体积含水量（从15%降至1.5%）施加干旱胁迫；使用高通量RNA测序（Illumina Novaseq平台）及3DRNAseq分析差异表达基因(DEGs)和差异可变剪接(DAS)；通过叶绿素荧光仪(Pocket PEA)、气孔计(AP4 porometer)和叶绿素含量仪(Dualex Scientific Plus)测定光合生理参数；借助扫描电镜(SEM)观察气孔密度和形态；采用HPLC分析ABA含量；并最终对农艺性状（株高、穗数、千粒重等）进行考种。

研究结果揭示：

3.1 hvcbp80.b和双突变体在干旱下表现出减弱的转录活性

转录组分析发现，干旱胁迫下野生型(WT)有348个基因特异性差异表达，而hvcbp80.b和双突变体分别仅168和109个，表明其转录组响应显著减弱。尽管存在定量差异，所有基因型均共享275个核心干旱响应基因，包括脱水素、LEA、NCED、P5CS及bZIP、NAC转录因子等。

3.2 基因本体富集分析显示hvcbp80.b和双突变体在干旱下激活光合相关过程

与WT强烈抑制光合作用基因不同，hvcbp80.b和双突变体显著上调了光合作用、叶绿体功能相关基因，如PLASTID RIBOSOMAL PROTEIN S5 (PRPS5)、CHAPERONIN-60ALPHA2 (CPN60A)和RIBOSOME RECYCLING FACTOR (RRF)。RT-qPCR验证了这些基因的表达模式，表明HvCBP80突变有助于维持光合机能。

3.3 蛋白互作预测发现HvCBP80与光合基因产物存在互作

STRING数据库分析提示HvCBP80可能与PAB7、CP28A、PSRP2等叶绿体RNA结合蛋白间接互作，从而调控光合过程。

3.4 hvcbp20.ab突变体增强干旱下的胁迫响应并激活ABA相关过程

该突变体特异性激活ABA和水分子缺响应通路，持续上调ERD10、AOC4、ERF12及HAI2等基因，且复水后这些基因仍保持高表达，表明其胁迫信号延长。

3.5 差异可变剪接基因(DAS)反映RNA调控变化

干旱下WT有287个DAS基因，而hvcbp80.b和双突变体分别降至140和128个，表明HvCBP80在剪接调控中起主导作用。复水后双突变体DAS数量反弹，提示其剪接调控具有动态性。

3.6 hvcbp20.ab增加差异表达转录本(DET)的蛋白编码能力

该突变体在干旱下拥有1154个DET，显著多于WT(1020个)，且富含提前终止密码子(PTC)和短开放阅读框(Short_ORF)，表明其RNA监视活动增强。

3.7 hvcbp80.b和双突变体在干旱下展现改良的光合效率且与气孔导度无关

光合性能指数(PI_ABS)在hvcbp80.b中干旱下仍维持高位，且非光化学淬灭(NPQ)较低，说明光能利用更高效。复水后光合参数在WT和hvcbp20.ab中恢复，而hvcbp80.b和双突变体恢复不完全。

3.8 CBC突变改变干旱和复水下的叶绿素含量

hvcbp20.ab叶绿素含量持续偏低，而hvcbp80.b复水后完全恢复，双突变体和WT恢复不完全。

3.9 hvcbp80.b和双突变体在复水后恢复气孔导度

干旱使所有基因型气孔导度下降，但仅hvcbp80.b和双突变体在复水后导度恢复至对照水平。

3.10 大麦CBC突变体表现出气孔调控的ABA高敏感性及改良的持水性

离体叶片实验中，所有突变体对外源ABA表现更敏感，水分损失减少更显著，且体内ABA积累更高。幼苗干旱实验表明突变体具有更高的相对含水量(RWC)。

3.11 hvcbp20.ab在对照条件下即显示气孔密度改变

扫描电镜发现该突变体气孔密度降低、宽度增加，而hvcbp80.b气孔长度缩短。干旱后各基因型气孔形态进一步发生特异性调整。

3.12 生理分子变化未转化为产量提升

尽管突变体（尤其是hvcbp80.b）光合性能改善，但其籽粒数、千粒重等产量参数在干旱下仍低于或相当于WT，表明光合增益未有效传递至产量形成。

研究结论与讨论部分强调，核帽结合复合体两个亚基在大麦干旱响应中扮演截然不同的角色：HvCBP80主要通过维持光合基因表达和叶绿体功能来增强光合效率，而HvCBP20则通过强化ABA信号传导延长胁迫响应。双突变体并未表现出叠加效应，其表型更接近hvcbp80.b，表明HvCBP80在复合体功能中占主导。该研究首次在作物生殖发育阶段揭示CBC亚基功能分化，为理解RNA加工如何调控植物逆境适应提供了新视角。尽管突变体未能直接增产，但其阐明的分子机制（如光合维持、气孔调控）为未来抗旱育种提供了潜在靶点，例如通过调控CBP80表达以在胁迫下维持光合作用，或利用CBP20突变强化ABA信号从而快速启动抗旱响应。