南瓜砧木来源的CmoKARI1 mRNA通过激活JA-Ile信号通路增强黄瓜嫁接苗的低温抗性

本研究针对黄瓜低温敏感性问题，通过南瓜砧木/黄瓜接穗异源嫁接模型，首次发现低温特异性诱导的南瓜CmoKARI1 mRNA可单向运输至接穗，通过促进异亮氨酸(Ile)合成和JA-Ile信号激活，显著增强嫁接苗的低温耐受性。该研究揭示了环境触发型mRNA长距离运输的新机制，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

在气候变化加剧的背景下，低温胁迫已成为制约黄瓜等喜温作物生产的重要瓶颈。虽然南瓜砧木嫁接能显著提高黄瓜耐寒性，但其分子机制长期不明。传统研究多聚焦于砧木根系吸收能力或激素调控，而对砧木向接穗传递的遗传信息关注不足。尤其令人困惑的是，茉莉酸(JA)信号通路虽被证实参与低温响应，但JA及其活性形式JA-Ile无法从根系向地上部运输，暗示存在未知的长距离信号分子。

中国农业大学张妙等人在《Nature Communications》发表的研究，通过多组学分析和基因功能验证，首次揭示了南瓜砧木来源的CmoKARI1 mRNA在低温胁迫下的特异性运输机制及其对JA-Ile信号通路的调控作用。研究人员采用嫁接苗低温处理模型，结合代谢组学和转录组学分析，发现低温诱导的南瓜CmoKARI1 mRNA可突破物种屏障单向运输至黄瓜接穗。通过构建CmoKARI1过表达转基因株系和嫁接体系，证实该基因能促进接穗中异亮氨酸积累，进而通过JAR1酶催化生成JA-Ile，激活COI1-JAZs-ICE1-CBF级联反应，最终赋予嫁接苗更强的低温耐受性。

关键技术包括：1）南瓜/黄瓜异源嫁接体系的建立；2）基于SNP分析的移动mRNA鉴定技术；3）农杆菌介导的黄瓜毛状根转化和稳定遗传转化；4）JA-Ile等激素的LC-MS/MS定量检测；5）病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术验证基因功能。

Results

CmoKARI1 mRNA的低温特异性运输

通过比较嫁接组合的转录组数据，发现3460个黄瓜mRNA和99个南瓜mRNA具有低温诱导的运输特性，其中80个南瓜mRNA呈现从砧木到接穗的单向运输模式。KEGG富集显示这些mRNA显著富集于支链氨基酸(BCAA)合成通路。代谢组分析进一步验证接穗中异亮氨酸和亮氨酸含量显著升高。

基因功能验证

RT-PCR和GUS报告系统证实，CmoKARI1 mRNA能在低温下从转基因根系运输至新生叶片并完成翻译。值得注意的是，黄瓜自身的CsaKARI1 mRNA不具备向上运输能力。通过南瓜品种比较实验，发现耐寒性强的"强立士"和" figleaf gourd"砧木中CmoKARI1表达和运输效率更高。

JA-Ile信号通路的激活

外源异亮氨酸处理可模拟CmoKARI1过表达表型，显著提高野生型黄瓜的低温耐受性。ELISA检测显示转基因株系JA-Ile含量增加3.5倍，而JA合成抑制剂Jarin-1能逆转该效应。低温胁迫下，CmoKARI1过表达株系中CsCBF1和CsCOR基因表达量较野生型提高2-3倍。

结论与意义

该研究首次报道了环境胁迫触发的单向mRNA运输现象，阐明了CmoKARI1-JA-Ile-CBF信号轴在嫁接苗低温抗性中的核心作用。这一发现不仅为作物抗逆育种提供了新靶点（如开发CmoKARI1功能标记），还革新了人们对砧木-接穗互作机制的理解——砧木不仅能提供物理支撑和养分，还能通过"遗传信息快递"调控接穗的胁迫响应。研究建立的移动mRNA鉴定技术体系，为解析其他嫁接组合的系统信号传递提供了范式。

值得注意的是，该研究仍存在局限性：由于南瓜遗传转化困难，未能获得CmoKARI1敲除突变体进行反向验证；异亮氨酸运输实验采用FITC标记方法，其生理相关性有待商榷。未来研究可聚焦于：1）mRNA运输的低温感应机制；2）CmoKARI1与其他抗寒通路（如GABA信号）的互作关系；3）该策略在其他作物嫁接体系中的普适性。