PCE | 沈阳农业大学孙红梅教授团队揭示ldi-miR396-LdPMaT1调控东北百合同源四倍体耐旱的关键作用

多倍体育种是抗逆品种创制的重要手段，为获得高品质观赏百合奠定了基础，然而多倍体百合对非生物胁迫的耐受性及响应机制尚有待于深入探索。近日，Plant, Cell & Environment在线发表了国家大宗蔬菜产业技术体系岗位科学家孙红梅教授团队题为ldi-miR396-LdPMaT1 enhances reactive oxygen species scavenging capacity and promotes drought tolerance in Lilium distichum Nakai autotetraploids的研究论文，该研究在创制了东北百合同源四倍体材料的基础上，在PEG模拟干旱条件下，通过表型观测、生理生化变化和比较转录组和miRNA分析，明确了调控同源四倍体百合耐旱的关键模块ldi-miR396-LdPMaT1，并初步揭示了ldi-miR396-LdPMaT1通过活性氧清除途径增强同源四倍体百合耐旱能力的分子机制。

东北百合（Lilium distichum Nakai）是中国东北地区特有的野生百合之一（图1 A），仅在土壤及空气环境较为潮湿的山地生长，耐阴抗寒，喜散射光。作为既可观花又可观叶的观赏百合，成为庭院植物或路边绿化植物更有意义。中国东北地区常年干旱少雨，若获得耐干旱的东北百合新种质，可以在很大程度上提高其观赏价值和经济价值。    

该团队前期通过秋水仙素诱导体细胞胚胎创制了东北百合同源四倍体，其在大小、内源物质含量和光合能力方面表现出显著优势。该研究中，作者比较了东北百合及其同源四倍体在PEG模拟干旱胁迫下的生理生化变化。研究结果表明，同源四倍体百合内源物质含量更高，耐旱能力更强（图1）。

图1 干旱胁迫下同源四倍体百合的表型及生理特性分析

随后对东北百合及同源四倍体在正常条件下（CK）和PEG胁迫7天（DR 7）时取样，进行转录组和miRNA测序分析。基于WGCNA 分析，筛选得到了四个关键基因 SUS，PP2C，PMaT1，CYP71A9，并与 MYB、bHLH、NAC 等转录因子密切相关。干旱胁迫后四倍体百合可通过改变活性氧清除和糖代谢相关基因表达水平，形成更有利的活性氧清除和渗透调节系统。    

图2 东北百合差异miRNA及其靶基因表达分析

miRNA分析中，共筛选出与同源四倍体百合耐旱密切相关的 11个差异 miRNA及其靶基因，其中miR396b在同源四倍体百合干旱胁迫后表达量无明显变化，而在二倍体中表达量显著增加（图2）。基于联合分析，作者聚焦到ldi-miR396b及其唯一靶基因LdPMaT1（活性氧清除基因），探究ldi-miR396b-LdPMaT1增强同源四倍体百合耐旱的分子机制。

该研究通过RLM-5’RACE扩增验证了miR396b和LdPMaT1的互作关系，利用STTM技术沉默ldi-miR396b获得了STTM396转基因系。PEG胁迫下，STTM396植株中LdPMaT1表达量及其他活性氧相关基因表达量显著增加且耐旱能力明显提高，MDA含量下降且抗氧化酶活性增强（图3）。这一结果阐释了同源四倍体百合具有较强耐旱能力的原因。    

图3 沉默ldi-miR396b提高二倍体百合的耐旱性

基于研究结果，作者提出了ldi-miR396b-LdPMaT1调控东北百合同源四倍体耐旱的工作模型。干旱胁迫后，二倍体中ldi-miR396b表达水平显著升高，植物中积累的过多的活性氧，而 LdPMaT1作为活性氧清除基因，其表达水平受到了抑制，导致二倍体对胁迫较为敏感；四倍体中ldi-miR396b始终保持在一个较低的水平，LdPMaT1表达水平较高。高水平LdPMaT1 更有利于活性氧的清除缓解干旱胁迫的损害，使得四倍体百合耐旱能力更强。该研究为深入了解多倍体抗逆性的分子机制，对提高百合和其它作物的基因工程和抗逆育种提供了重要参考。    

图4 ldi-miR396b-LdPMaT1调控东北百合同源四倍体耐旱模式图

国家大宗蔬菜产业技术体系岗位科学家孙红梅教授和青年教师范馨月博士为该论文通讯作者，付麟岚博士和张静博士为该论文共同第一作者，博士生李敏等参与了该工作。该研究得到辽宁省兴辽英才计划（XLYC2002052）、国家重点研发计划（2019YFD1001000）和国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-23）的支持。

作者团队简介

团队负责人：孙红梅，女，博士，教授，博士生导师，中国园艺学会理事、辽宁省园艺学会监事长，国家大宗蔬菜产业技术体系岗位科学家，辽宁“兴辽英才计划”科技创新领军人才，辽宁省学术头雁，辽宁省优秀园艺科技工作者，沈阳市领军人才。先后入选辽宁省优秀青年骨干教师培养计划、辽宁省百千万人才工程培养计划、辽宁省高等学校优秀人才支持计划，荣获辽宁省“巾帼建功标兵”荣誉称号，沈阳市五四奖章获得者。从事百合品质调控及种质创新研究，获辽宁省科技进步二等奖1项、梁希林业科技二等奖1项、辽宁林业科技一等奖2项、二等奖1项。获国家发明专利10项。率先创建了百合高效遗传转化技术体系，为百合基因功能研究和分子设计定向育种奠定了基础。    

团队研究方向：百合休眠与唤醒的分子生物学基础和调控技术；百合体细胞胚发生发育的分子机制；百合种质创新和新品种选育；百合鳞茎发育机理和现代高效栽培技术创新。

文章链接：

https://doi.org/10.1111/pce.14783

图文来源：植物科学最前沿公众号

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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