草莓(*Fragaria* × *ananassa* Duch.)是一种对盐胁迫高度敏感的作物。近年来,外源性5-氨基乙酰丙酸(ALA)在提高植物盐胁迫耐受性方面表现出显著潜力。研究发现,ALA能够诱导*CLC*(氯离子通道)基因的表达,从而促进根部对氯离子(Cl⁻)的保留,减少其向地上部分的转运,最终增强植物的耐盐能力。然而,ALA诱导*CLC*基因表达的转录调控机制尚未完全明确。
本研究在草莓基因组中鉴定了23个*FaCLC*基因,并将其分为两个亚类和六个亚群。NaCl胁迫刺激了*FaCLC-b1*/*c4*/*e3*基因在叶片和根部的表达,而ALA在盐胁迫条件下进一步促进了这些基因的表达。通过使用β-葡糖苷酸酶(GUS)报告基因检测,发现NaCl和ALA共同激活了三个*FaCLC*基因启动子的转录活性。亚细胞定位分析表明,*FaCLC-b1*和*FaCLC-c4*是位于液泡膜上的蛋白质。在烟草中过表达*FaCLC-b1*和*FaCLC-c4*能够显著提高转基因植株的耐盐能力,表现为根部对Cl⁻的更强保留能力,以及叶片中Cl⁻的较低积累。
此外,研究发现ALA处理能够增加硝酸盐(NO₃⁻)的含量。进一步地,鉴定出一个位于细胞核中的转录因子*FaMYB44*。通过酵母单杂交实验(Y1H)、双荧光素酶报告基因实验(LUC)和电泳迁移率变动实验(EMSA)验证,发现*FaMYB44*能够识别*FaCLC-c4*基因启动子中的MBS元件,并对其表达产生负调控作用。NaCl胁迫在草莓根部诱导了*FaMYB44*的表达,而ALA则抑制了其表达。在烟草中过表达*FaMYB44*导致叶片中Cl⁻的积累增加,从而损害植物生长。*FaMYB44*通过结合*FaCLC-c4*的启动子并抑制其表达,而ALA通过抑制*FaMYB44*的表达,缓解了其对*FaCLC-c4*表达的抑制作用,进而促进Cl⁻在根部的保留,减少其向叶片的转运,从而提高植物的耐盐能力。
这一发现为理解*FaCLC*基因的转录调控机制提供了新的视角,并有助于更好地应用外源性ALA来提升草莓的耐盐性,以改善果实生产中的盐胁迫问题。此外,研究还表明,ALAs的诱导作用不仅涉及对Na⁺的调控,也包括对Cl⁻的调控,这在植物耐盐性提升中起着关键作用。
盐胁迫对植物的伤害主要体现在三个方面。首先,培养基质中渗透压的增加使得植物难以吸收水分,从而严重抑制细胞伸长和植物生长。其次,盐胁迫会导致活性氧(ROS)的过度积累,这些ROS对生物大分子如膜脂质、DNA和蛋白质具有破坏作用。第三,盐胁迫下植物会吸收过量的钠离子(Na⁺)和氯离子(Cl⁻),干扰对必需营养元素如钾离子(K⁺)和硝酸盐(NO₃⁻)的吸收,导致离子毒性和营养元素失衡。其中,Cl⁻的过量积累是盐胁迫下导致植物损伤的最根本原因之一。因此,管理过量Cl⁻对于提高植物耐盐性至关重要。
ALA作为叶绿素和血红素等卟啉化合物的前体,在近年来被广泛认为是一种新型植物生长调节剂。研究表明,外源性ALA能够增强叶片光合作用效率,促进渗透调节物质的积累,并提高抗氧化活性,从而改善植物的耐盐性。在草莓中,ALA诱导了信号分子H₂O₂和NO的产生,激活了*FaSOS1*、*FaNHX1*和*FaHKT1*基因的表达,从而在根部拦截Na⁺,减少其向地上部分的转运,避免对地上部分的离子毒性,进而促进叶片光合作用和植物生长。这些过程现在已知是通过*FaWRKY70*和*FaWRKY40*等转录因子进行转录调控的。
另一方面,叶面喷施ALA可以降低盐胁迫下西瓜植株叶片中的Cl⁻含量,从而缓解植物生长的抑制作用。在耐盐草莓品种‘Korona’中,根部和冠根系统能够储存更多的Cl⁻,减少其向叶片的转运,因此在盐胁迫下比敏感品种‘Elsanta’表现出更好的生长状态。此外,应用氧化锌纳米颗粒提高草莓耐盐性,其机制被归因于降低叶片中Cl⁻的积累。He等(2022)报道,在NaCl处理下,外源性ALA能够上调草莓根部*CLC*基因的表达,促进Cl⁻的保留,减少其向地上部分的转运,从而增强植物的耐盐性。这一过程不仅涉及对Na⁺的调控,也包括对Cl⁻的调控,这在提高植物耐盐性方面起着关键作用。
然而,ALA诱导*CLC*基因表达的转录调控机制仍然缺乏深入研究。在苹果中,Li等(2025)发现,MdWRKY71是关键的转录因子,能够结合*MdCLC-g*基因启动子,上调其表达,促进根部对Cl⁻的保留,减少其向地上部分的转运,从而维持叶片在盐胁迫下的较高光合能力。在许多物种如草莓中,叶片中的Cl⁻比Na⁺更具破坏性,因此对Cl⁻的调控尤为重要。
为了理解ALA在通过根部拦截Cl⁻提高草莓耐盐性中的转录调控机制,本研究分析了*FaCLC*基因的表达,筛选出可能受盐胁迫和ALA调控的候选基因。随后,通过在烟草中过表达*FaCLC-b1*和*FaCLC-c4*,研究其在促进根部对Cl⁻的保留和减少叶片中Cl⁻积累方面的作用。此外,鉴定出一个能够结合*FaCLC-c4*启动子并对其表达产生负调控的转录因子*FaMYB44*。因此,本研究揭示了ALA通过下调*FaMYB44*的表达,缓解其对*FaCLC-c4*转录的抑制作用,从而促进Cl⁻在根部的保留,减少其向叶片的转运,提高植物的耐盐能力。
氯离子通道(CLCs)是一类广泛分布于生物膜系统中的阴离子转运蛋白,与Cl⁻和NO₃⁻的吸收和转运密切相关。在拟南芥中,七个*AtCLC*基因被分为不同的亚群。在大豆(*Glycine max*)中,GmCLC1能够将细胞质中的Cl⁻转运至液泡,维持盐胁迫下的离子稳态。此外,转录因子GmbHLH3能够结合GmCLC1启动子中的G-box顺式作用元件,激活其表达,从而增强植物的耐盐性。在小麦(*Triticum aestivum*)中,*TaCLC*基因参与盐胁迫下的Cl⁻或NO₃⁻转运。在拟南芥中,蛋白磷酸酶AtPP2A-C5能够与AtCLC-a、AtCLC-b、AtCLC-c和AtCLC-g相互作用,从而提高植物的耐盐性。同时,共过表达*AVP1*/*PP2A-C5*/*AtCLCc*的转基因植株表现出更强的生长能力和耐盐及耐旱能力。
这些研究结果表明,CLC在Cl⁻转运以及植物耐盐性方面具有重要作用。然而,ALA诱导*CLC*基因表达的转录调控机制仍需进一步探索。在苹果中,MdWRKY71作为关键的转录因子,能够结合*MdCLC-g*基因启动子,上调其表达,促进根部对Cl⁻的保留,减少其向地上部分的转运,从而维持叶片在盐胁迫下的较高光合能力。在许多物种如草莓中,叶片中的Cl⁻比Na⁺更具破坏性,因此对Cl⁻的调控尤为重要。
为了深入探讨ALA在提高草莓耐盐性中的作用,本研究首先分析了*FaCLC*基因的表达情况,筛选出可能受盐胁迫和ALA调控的候选基因。随后,通过在烟草中过表达*FaCLC-b1*和*FaCLC-c4*,验证其在促进根部对Cl⁻的保留和减少叶片中Cl⁻积累方面的作用。此外,鉴定出一个能够结合*FaCLC-c4*启动子并对其表达产生负调控的转录因子*FaMYB44*。研究发现,*FaMYB44*的表达会抑制*FaCLC-c4*的表达,从而影响Cl⁻的保留和植物的耐盐能力。而ALA则通过抑制*FaMYB44*的表达,缓解其对*FaCLC-c4*的抑制作用,进而促进Cl⁻在根部的保留,减少其向叶片的转运,提高植物的耐盐能力。
这一机制不仅有助于理解*FaCLC*基因的转录调控过程,也为更好地应用外源性ALA提高草莓的耐盐性提供了理论依据。同时,研究还表明,ALA不仅能够促进Cl⁻的保留,还能够促进NO₃⁻的吸收和转运。这为未来在植物耐盐性调控中探索多种营养元素的协同作用提供了新的思路。此外,本研究发现,ALA的诱导作用在一定程度上与转录因子*FaMYB44*的调控存在相互作用,这为深入理解植物对盐胁迫的响应机制提供了新的视角。
在实际应用中,盐胁迫对草莓生长的负面影响是多方面的。首先,由于根系较浅,草莓容易受到各种环境胁迫的影响,包括盐碱。其次,盐胁迫会导致活性氧的积累,破坏细胞结构和功能。第三,盐胁迫下植物会吸收过量的Na⁺和Cl⁻,影响对其他营养元素的吸收,进而导致离子毒性和营养失衡。因此,提高草莓的耐盐性不仅需要增强其对Cl⁻的调控能力,还需要改善其对其他营养元素的吸收和转运。
在本研究中,通过分析*FaCLC*基因的表达,发现其在盐胁迫和ALA处理下表现出不同的表达模式。此外,通过亚细胞定位分析,发现*FaCLC-b1*和*FaCLC-c4*是位于液泡膜上的蛋白质,这表明它们在调控Cl⁻的转运方面具有重要作用。同时,研究发现,*FaMYB44*作为关键的转录因子,能够结合*FaCLC-c4*的启动子并对其表达产生负调控作用。而ALA则通过抑制*FaMYB44*的表达,缓解其对*FaCLC-c4*的抑制作用,从而促进Cl⁻在根部的保留,减少其向叶片的转运,提高植物的耐盐能力。
这一发现不仅揭示了*FaCLC*基因的转录调控机制,还为未来在植物耐盐性研究中探索多种调控因子的协同作用提供了新的思路。此外,研究还表明,ALA的诱导作用在一定程度上能够促进NO₃⁻的吸收和转运,这可能与植物对盐胁迫的适应性有关。因此,理解ALA与多种转录因子之间的相互作用,对于揭示植物耐盐性的复杂调控网络具有重要意义。
在实际应用中,提高草莓的耐盐性不仅需要关注其对Cl⁻的调控能力,还需要考虑其他营养元素的协同作用。例如,NO₃⁻的积累可能在一定程度上缓解Cl⁻的毒性作用,从而改善植物的耐盐性。因此,研究ALA在促进NO₃⁻吸收和转运方面的作用,对于理解其在植物耐盐性调控中的综合效应具有重要意义。此外,研究还表明,ALA的诱导作用可能通过影响多个基因的表达,从而改善植物的整体耐盐能力。
综上所述,本研究通过系统分析*FaCLC*基因的表达模式和调控机制,揭示了ALA在提高草莓耐盐性中的重要作用。通过抑制*FaMYB44*的表达,ALA能够促进*FaCLC-c4*的表达,从而增强Cl⁻在根部的保留能力,减少其向叶片的转运,改善植物的耐盐性。此外,ALA还能够促进NO₃⁻的吸收和转运,这可能在一定程度上缓解Cl⁻的毒性作用,从而提高植物的耐盐能力。这些发现为未来在植物耐盐性研究中探索多种调控因子的协同作用提供了新的思路,并为更好地应用外源性ALA提高草莓的耐盐性提供了理论依据。