近日，華中農業(yè)大學園藝植物生物學教育部重點實驗室劉繼紅教授團隊研究成果以“Two AT-Hook proteins regulate A/NINV7 expression to modulate sucrose catabolism for cold tolerance in Poncirus trifoliata”為題在New Phytologist發(fā)表。該研究揭示了柑橘抗寒資源通過調控蔗糖代謝應答低溫脅迫的分子機制，為果樹栽培及培育優(yōu)質抗寒種質提供新思路。

 

　　低溫是限制柑橘產業(yè)發(fā)展的主要非生物逆境因子。在脅迫環(huán)境下，植物會通過代謝調控積累一定的滲透調節(jié)劑來維持細胞及細胞膜的穩(wěn)定性。其中轉化酶（Invertase）介導的蔗糖水解生成葡萄糖和果糖在逆境應答中發(fā)揮重要作用，但是關于糖在低溫下的轉化利用及低溫應答調控機制仍然不清楚。本研究中，研究人員利用柑橘抗寒資源枳為主要研究對象，經過前期低溫應答表達譜分析，發(fā)掘出受低溫顯著誘導的轉化酶基因PtrA/NINV7。遺傳轉化證據(jù)表明，抑制PtrA/NINV7表達后柑橘砧木的抗寒性能降低，這一過程和蔗糖的水解和葡萄糖及果糖的積累緊密關聯(lián)。

 

　　研究人員進一步鑒定了PtrA/NINV7啟動子上響應低溫的區(qū)間，并利用該片段通過酵母單雜交篩選文庫，鑒定到正向調控PtrA/NINV7基因表達的兩個轉錄因子AHL14 和AHL17（AT-Hook Motif Containing Nuclear Localized proteins）。AHL14 和AHL17均能直接獨立地調控PtrA/NINV7，且在抗寒中發(fā)揮正調控作用。研究還發(fā)現(xiàn)，AHL14 和AHL17可以蛋白互作形成同源或異源二聚體，同時與組蛋白乙酰轉移酶（HATs）互作形成復合體，提升PtrA/NINV7啟動子區(qū)域Histone 3乙酰化水平，進一步增強低溫下PtrA/NINV7基因表達水平，促進蔗糖分解代謝提升植物抗寒。該研究揭示了柑橘抗寒資源一個新的低溫應答模塊AHL14/17-HATs-A/NINV7，創(chuàng)新性地揭示了AHL蛋白的抗寒功能和作用機制，解析了植物逆境應答中蔗糖代謝的分子調控網絡，同時本研究中發(fā)掘的重要轉錄因子PtrAHL已獲批專利保護（專利號：ZL 2021 1 1284972.4）。因此本研究內容不僅為提升柑橘抗寒性提供理論指導，也為抗寒基因工程提供了關鍵基因資源。

 

　　華中農業(yè)大學敘利亞博士留學生Bachar Dahro為論文第一作者，劉繼紅教授和李春龍教授為論文通訊作者。該研究受到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和湖北省自然科學基金創(chuàng)新群體等項目資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Invertase （INV）-mediated sucrose （Suc） hydrolysis, leading to the irreversible production of glucose （Glc） and fructose （Frc）， plays an essential role in abiotic stress tolerance of plants. However, the regulatory network associated with the Suc catabolism in response to cold environment remains largely elusive.

 

　　Herein, a cold-induced alkaline/neutral INV gene （PtrA/NINV7） of trifoliate orange （Poncirus trifoliata （L.） Raf.） was shown to function in cold tolerance via mediating the Suc hydrolysis. Meanwhile, a nuclear matrix-associated region （MAR） containing A/T-rich sequences within its promoter was indispensable for the cold induction of PtrA/NINV7.

 

　　Two AT-Hook Motif Containing Nuclear Localized （AHL） proteins, PtrAHL14 and PtrAHL17, were identified as upstream transcriptional activators of PtrA/NINV7 by interacting with the A/T-rich motifs. PtrAHL14 and PtrAHL17 function positively in the cold tolerance by modulating PtrA/NINV7-mediated Suc catabolism. Furthermore, both PtrAHL14 and PtrAHL17 could form homo- and hetero-dimers between each other, and interacted with two histone acetyltransferases （HATs）， GCN5 and TAF1, leading to elevated histone3 acetylation level under the cold stress.

 

　　Taken together, our findings unraveled a new cold-responsive signaling module （AHL14/17-HATs-A/NINV7） for orchestration of Suc catabolism and cold tolerance, which shed light on the molecular mechanisms underlying Suc catabolism catalyzed by A/NINVs under cold stress.

 

　　原文鏈接：

 

　　https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18304