Plant Biotechnology Journal|通过酵母单杂文库筛选和亚细胞定位揭示菊花CmHSFA4基因正调控转基因菊花的盐胁迫耐受性

Plant Biotechnology Journal|通过酵母单杂文库筛选和亚细胞定位揭示菊花CmHSFA4基因正调控转基因菊花的盐胁迫耐受性

南京农业大学园艺学院的研究人员于Plant Biotechnology Journal上发表了一篇题为“Chrysanthemum CmHSFA4 gene positively regulates salt stress tolerance in transgenic chrysanthemum”的研究文献,该文献揭示了菊花CmHSFA4基因正调控转基因菊花的盐胁迫耐受性。

文章来源

背景

土壤盐渍化影响植物的生长,还会导致高水平的活性氧(ROS)积累。植物细胞利用抗氧化机制防御ROS的损害。HSF是细胞应激的重要调节剂,HSFA4还具有耐盐性。HSFA4的功能可增强胁迫响应转录本的表达,并调节胁迫下植物ROS的稳态。但是HSFA4基团的功能尚不为人知。菊花是一种主要的商业观赏植物,很容易受到盐分胁迫,导致叶绿化并严重危害植物的健康。在这里,我们从菊花中分离了CmHSFA4基因,通过过表达菊花的CmHSFA4调节离子和ROS稳态来调节耐盐性。


结果

CmHSFA4序列特征

Cmhsfa4基因序列由1242-bp 和编码358个氨基酸的1074-bp ORF组成。 它在N端包含一个保守的HSF-DBD结构域,在C端包含一个挥发性AHA结构域,以及一个中间的HR-A/B区域。 系统发育分析表明,CmHSFA4与其他已知的HSFA4a具有较高的相似性。

CmHSFA4和其他HSF蛋白序列

1. CmHSFA4和其他HSF蛋白序列


CmHSFA4定位于细胞核

为了确认CmHSFA4的定位,将由35S启动子驱动的CmHSFA4-GFP融合体引入到洋葱表皮细胞中。GFP信号主要在pMDC43-CmHSFA4-GFP转化的细胞核中检测到。对于用阳性对照pMDC43-GFP转化的细胞,GFP在整个细胞中表达。

CmHSFA的亚细胞定位

2. CmHSFA亚细胞定位


CmHSFA4可以激活转录并与HSE结合

阳性对照pCL1-pGBKTpGBKT7-CmHSFA4构建体的酵母SD/-His-Ade培养基上生长良好,在添加x-α-galSD/-His-Ade培养基上呈蓝色,而阴性对照pGBKT7无法在培养基上生长。结果表明CmHSFA4是转录激活因子,而AHA基序对其转录活性有重要作用。

CmHSFA 4的反式激活分析和DNA结合测定

3. CmHSFA 4的反式激活分析和DNA结合测定


盐分诱导的CmHSFA4表达

在盐分胁迫条件下,CmHSFA4的转录本表达水平被诱导为对照的3.5倍,并且显著高于对照,这表明CmHSFA4可能参与了响应植物的盐分胁迫。

PCR揭示盐度处理下菊花植物中CmHSFA 4的表达

4. PCR揭示盐度处理下菊花植物中CmHSFA 4的表达


CmHSFA4过表达增强了菊花的耐盐性

在盐度处理下,OXm H4H5 CmHSFA4的表达水平大大高于野生型植物。与野生菊花植物相比,过表达CmHSFA4的植物H4H5表现出更少的胁迫破坏。结果表明过表达CmHSFA4菊花的增强了耐盐性。

CmHSFA 4过表达增强了菊花的耐盐性

5.CmHSFA 4过表达增强了菊花的耐盐性


盐胁迫下CmHSFA4过表达抑制叶绿素含量下降

在正常生长条件下,OXH4H5中的叶绿素含量几乎与野生型植物中的相当。在盐处理后,OX系和WT植物中的总叶绿素含量均下降。表明CmHSFA4的过表达保护叶绿素免受盐分胁迫的降解。

盐处理下生长的野生型和CmHSFA 4过表达植物中叶绿素含量

6. 盐处理下生长的野生型和CmHSFA 4过表达植物中叶绿素含量


CmHSFA4过表达平衡了离子稳态并改变了盐分胁迫相关基因的表达

为了评估CmHSFA4的过表达对离子稳态的影响,将转基因植物和野生型植物进行盐处理。在非胁迫条件下,转基因植物和野生型植物之间的Na+K+含量几乎没有变化。在盐胁迫条件下,转基因植物的Na+含量显著低于野生植物。K+含量高于野生植物。同时,离子平衡相关基因的转录水平比WT高得多。

Na+和K+在野生型以及在盐处理下生长的CmHSFA 4的转基因过表达中的含量

7. Na+K+在野生型以及在盐处理下生长的CmHSFA 4的转基因过表达中的含量


CmHSFA4过表达降低ROS水平并激活ROS清除酶活性

WT和转基因叶片分别用DABNBT染色。与野生型植物相比,CmHSFA4过表达叶片中染色强度明显降低,反映出低水平的H2O2O2-积累。在正常生长条件下,H4H5植物H2O2水平与野生型相当,在盐处理下,H4H5植物O2-含量一直在增加。

盐度胁迫的野生型和CmHSFA 4转基因品系的ROS含量及染色

8.盐度胁迫的野生型和CmHSFA 4转基因品系的ROS含量及染色


为了进一步阐明CmHSFA4ROS稳态中的作用,研究了ROS清除酶的活性,发现在盐处理后,OX植物中的SODAPXCATWT高,通过实时PCR分析了ROS稳态相关基因的表达水平,在非胁迫条件下,观察到WTOX植物之间的微小差异。盐胁迫下,在WTOX植物中均被上调,并且OX植物中的表达水平始终高于WT

野生型和CmHSFA 4转基因品系中的ROS清除酶活性及相关基因表达

9. 野生型和CmHSFA 4转基因品系中的ROS清除酶活性及相关基因表达


结论

菊花的耐盐性对于实现稳定和可持续的生产至关重要。研究结果表明 CmHSFA4赋予菊花耐盐性,其增强菊花对盐分的耐受性是离子稳态的结果,CmHSFA4通过调节ROS稳态来增强菊花对盐分的耐受性。这项研究为今后改良菊花耐盐品种奠定了基础。

该研究受到国家自然科学基金、中央高校基础研究基金、国家杰出青年科学基金和公益性农业科学研究专项基金的支持。


参考文献

1Azarabadi, S., Abdollahi, H., Torabi, M., Salehi, Z. and Nasiri, J. (2017) ROS generation, oxidative burst and dynamic expression profiles of ROSscavenging enzymes of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and ascorbate peroxidase (APX) in response to Erwinia amylovora in pear (Pyrus communis L.). Eur. J. Plant Pathol. 147, 279–294.

2Bharti, K., Koskull-Doring, P.V., Bharti, S., Kumar, P., Tintschl-Korbitzer, A., Treuter, E. and Nover, L. (2004) Tomato heat stress transcription factor hsfB1 represents a novel type of general transcription coactivator with a histone-like motif interacting with the plant CREB binding protein ortholog HAC1. Plant Cell, 16, 1521.

3Chung, J., Zhu, J., Bressan, R.A., Hasegawa, P.M. and Shi, H. (2008) Reactive oxygen species mediate Na+-induced SOS1 mRNA stability in Arabidopsis.Plant J. 53, 554–565.


文献链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.12871

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