阐明抗旱性中MAPK级联激活介导的OR基因调控机制

《Journal of Plant Biology》：Elucidating the Mechanism Underlying MAPK Cascade Activation-Mediated OR Gene Regulation in Drought Tolerance

　　

摘要

日益加剧的全球干旱严重威胁着作物生产。OR 基因和 MAPK 级联反应在植物胁迫响应中均发挥着至关重要的作用。本研究旨在阐明OR 基因通过 MAPK 级联反应中的MKK1 调节拟南芥（Arabidopsis thaliana）抗旱性的分子机制，以期为作物抗逆育种提供理论参考。应用 CRISPR-Cas9 技术在OR 过表达（OR-OE）拟南芥中敲除MKK1 基因，获得了纯合OR-OE/mkk1 双敲除株系。进行干旱胁迫处理、复水后存活统计和离体叶片失水测定，以表征突变体的干旱表型；利用 DAB 组织化学染色检测内源过氧化氢（H?O?）积累；并进行实时荧光定量 PCR（qRT-PCR）分析脱落酸（ABA）生物合成和信号转导相关基因的表达模式。在干旱胁迫下，OR 过表达植物表现出显著的抗旱性，复水后存活率为 86%，而OR-OE/mkk1 敲除株系抗旱性显著减弱，存活率为 46–50%，与野生型（WT）相当，且其叶片失水率与 WT 无显著差异。DAB 染色和 H?O? 定量检测显示，OR-OE 植物干旱诱导的 H?O? 积累显著低于 WT；OR-OE/mkk1 双敲除株系的 H?O? 水平介于 WT 和OR-OE 幼苗之间，且明显高于OR-OE 植物。qRT-PCR 结果表明，在干旱胁迫下，OR 过表达几乎不改变 ABA 生物合成基因（NCED3、ABA2）的表达，但显著上调了 ABA 信号转导基因（ABI2、ABI5）；而MKK1 敲除将这些信号基因的转录丰度降低回 WT 水平。OR 基因通过正向调节 MAPK 级联反应中的MKK1，增强 ABA 信号转导并缓解干旱引发的 H?O? 过度积累，从而提高拟南芥的抗旱性。MKK1 作为OR 介导干旱响应不可或缺的下游效应因子，OR 通过多条调控途径调控植物的抗旱性。