芸苔属植物BrSTM16的表型特征分析及其在调控耐寒性中的功能研究

《BMC Plant Biology》：Characterization of BrSTM16 from Brassica rapa and functional analysis of its role in regulating cold tolerance

　　

摘要

SHOOTMERISTEMLESS（STM）基因家族负责调控茎尖分生组织的稳态，同时参与高等植物的生长发育以及非生物胁迫适应。尽管STM在维持分生组织稳定性方面的作用已有充分记载，但Brassica rapa中BrSTM基因在耐寒性中的作用及其调控机制仍不清晰，这限制了我们对胁迫诱导的分生组织可塑性的理解。在本研究中，我们系统地分析了Brassica rapa STM基因家族，共发现了31个BrSTM基因成员，这些基因均含有保守的KNOXⅠ结构域，属于I类KNOX家族。进一步的分析集中在关键候选基因BrSTM16上。其启动子包含对寒冷有响应且特异性作用于分生组织的调控元件，该基因在茎尖分生组织中高度表达，并表现出明显的组织特异性和温度依赖性的寒冷反应。在敏感品种中，BrSTM16的表达在寒冷条件下显著上升，表明它是在分生组织形态与发育与寒冷适应之间起关键作用的调控因子。经过基因编辑的BrSTM16突变体在寒冷胁迫下的存活率及抗氧化酶活性均有所下降，这进一步证实了它在调控Brassica rapa耐寒性中的重要作用。转录组分析表明，BrSTM16可能通过苯丙烷生物合成途径来调节寒冷诱导的代谢稳态。在敲除突变体中，该途径的关键基因（PAL、4CL、F5H）的表达紊乱与耐寒性下降密切相关。亚细胞定位实验显示BrSTM16定位于细胞核内。通过酵母双杂交筛选，我们发现了6种与BrSTM16具有相互作用且表达模式对寒冷有响应的蛋白质，它们参与了由BrSTM16调控的寒冷响应网络。本研究明确了BrSTM基因家族的特征，初步揭示了BrSTM16如何通过整合分生组织中的苯丙烷代谢途径与蛋白质相互作用网络来调控耐寒性，为Brassica rapa的耐寒性分子育种提供了可靠的候选基因和理论依据。