棉花中的GRAS转录因子GhSCL5通过调节植物激素信号和碳代谢正向调控抗旱性

《Planta》：GhSCL5, a GRAS transcription factor from cotton, positively regulates drought tolerance by modulating phytohormone signaling and carbon metabolism

　　

摘要

主要结论

本研究对陆地棉中的GRAS转录因子基因GhSCL5进行了功能表征。转录组分析、RT-qPCR验证以及来自CottonOmics数据库的公共转录组数据表明，GhSCL5的表达在外源γ-聚谷氨酸（γ-PGA）、聚乙烯乙二醇（PEG）模拟干旱及自然干旱条件下均被显著诱导。这些结果表明GhSCL5参与棉花的干旱胁迫响应。

摘要

干旱是限制棉花产量的主要非生物胁迫。GRAS蛋白家族参与植物发育和非生物胁迫响应，但许多棉花GRAS成员的功能仍不清楚。本研究表征了陆地棉（Gossypium hirsutum）中的一个GRAS家族基因GhSCL5，其表达被自然干旱、聚乙烯乙二醇（PEG）和外源γ-聚谷氨酸（γ-PGA）诱导。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）沉默GhSCL5降低了棉花的耐旱性，表现为干旱胁迫下过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）活性降低、脯氨酸（Pro）积累减少、叶片相对含水量（RWC）下降以及丙二醛（MDA）含量增加。相反，在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中异源过表达GhSCL5增强了耐旱性，并在甘露醇诱导的渗透胁迫下维持了较长的主根。转录组分析在干旱胁迫下GhSCL5沉默的棉花叶片中鉴定出7061个差异表达基因（DEGs），其中3140个上调基因和3921个下调基因。值得注意的是，上调的差异表达基因富集于植物-病原体互作、植物激素信号转导、植物MAPK信号通路、氨基糖和核苷酸糖代谢、苯丙烷类生物合成以及精氨酸和脯氨酸代谢等通路；而下调的差异表达基因富集于光合作用、植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、光合生物中的碳固定、乙醛酸和二羧酸代谢以及光合作用-天线蛋白等通路。重要的是，植物激素信号转导通路同时富集了上调和下调的差异表达基因，表明该通路可能是转录响应的重要组成部分。在植物激素信号转导通路中，与脱落酸（ABA）和生长素相关的基因最为丰富，这表明这两种激素系统可能是GhSCL5相关响应中的关键因素。总之，这些发现表明GhSCL5可能通过抗氧化防御、渗透调节和碳代谢等过程贡献于耐旱性，转录组学证据提示ABA和生长素信号可能参与其中。