外源性谷胱甘肽通过抗氧化系统和渗透调节机制抑制SlMYB48的表达,从而提高番茄幼苗的耐盐性

时间:2026年1月25日
来源:Plant Science

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外源GSH增强番茄幼苗耐盐性通过调控植物激素信号、MAPK通路及糖代谢,并抑制SlMYB48表达,改善抗氧化系统与渗透调节。

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李学珍|李远新|史玉杰|魏玉欣|杨玉琪|刘慧英
石河子大学农学院园艺系,新疆石河子832003

摘要

谷胱甘肽(GSH)是一种具有氧化还原活性的分子,也是植物中主要的非蛋白质巯基化合物,在缓解非生物胁迫方面起着关键作用。我们之前的研究表明,叶面施用外源GSH可以增强番茄幼苗的耐盐性。然而,其背后的分子机制尚未得到充分探索。在本研究中,RNA-seq分析显示外源GSH显著影响了植物激素信号转导、MAPK信号通路以及淀粉和蔗糖的代谢。此外,还鉴定出转录因子SlMYB48。在盐胁迫下,SlMYB48的表达显著增强,而在同时施用GSH时则受到抑制。通过构建SlMYB48的过表达(OE)和敲除突变体,将其暴露于盐胁迫下,结果表明SlMYB48在番茄幼苗中起负调控耐盐性的作用。叶面施用GSH增加了内源GSH的含量,增强了GSH代谢和抗氧化系统相关酶的活性和表达,并减少了盐胁迫下OE株系的活性氧(ROS)积累和氧化损伤。此外,外源GSH显著提高了与淀粉和蔗糖代谢相关的基因表达,从而增加了OE植株在盐胁迫下的相应糖分含量。重要的是,GSH的施用抑制了盐胁迫下OE株系中SlMYB48的表达。综上所述,这些发现表明外源GSH通过抑制SlMYB48的表达来增强番茄幼苗的耐盐性,进而调节抗氧化系统和渗透调节。本研究为阐明GSH调控的耐盐性分子育种机制提供了理论框架,突出了SlMYB48的育种潜力,并为实际应用提供了指导。

引言

在生长和发育过程中,植物不断受到各种非生物胁迫的影响,包括盐胁迫、干旱、高温和低温(Duan等人,2023年;Zhang等人,2022年)。全球盐碱地面积约为9.54亿公顷,占世界耕地面积的22%,其中约9913万公顷位于中国(Yang和Guo,2018年)。盐胁迫会破坏植物细胞的渗透平衡,可能导致钠离子过度积累,进而干扰代谢途径和酶活性,最终降低作物产量和品质(Chen等人,2024年;van Zelm等人,2020年)。作为全球重要的蔬菜作物和植物生物学模式物种,番茄在其生长过程中特别容易受到盐胁迫的损害(Costa和Heuvelink,2018年)。因此,迫切需要阐明番茄感知和适应盐胁迫的分子机制,以便通过遗传和分子育种提高耐盐性(Foolad和Panthee,2012年;Roșca等人,2023年;Tiwari等人,2023年)。
作为固定生物,植物比动物面临更加多变的环境,因此进化出了有效的机制,如渗透调节、抗氧化防御和离子稳态,以抵御各种非生物胁迫(Wang等人,2021年)。此外,植物还发展出了由转录因子介导的应激反应,这些转录因子调节基因表达网络和信号转导通路(Hou等人,2024年)。转录因子通过与应激响应基因上游的顺式作用元件结合,特异性地调节基因表达,从而增强植物的应激适应性(Aizaz等人,2024年)。根据其DNA结合结构域,转录因子被分为多个家族,其中bZIP、WRKY、AP2/ERF和MYB是主要的耐盐性调节因子(Li等人,2019年)。MYB是植物中最大的转录因子家族之一,其成员存在于多种物种中,包括拟南芥(Stracke等人,2001年)、茄子(Qiu等人,2019年)、茶树(Chen等人,2021年)、苜蓿(Naik等人,2021年)、艾蒿(Qin等人,2021年)和棉花(Wang等人,2019年)。MYB家族成员参与多种生物学过程,如生长发育、次生代谢、细胞分化和代谢调节以及应激响应(Jaradat等人,2013年;Wu等人,2022年;Xie等人,2016年)。例如,PtrMYB3的过表达会抑制PtrPOD介导的H2O2清除作用,从而负调控耐盐性(Wei等人,2021年),而GmMYB3a的过表达会降低可溶性糖、脯氨酸和叶绿素的含量,从而抑制大豆对盐碱胁迫的耐受性(He等人,2018年)。相反,CgMYB1通过与CgbHLH001启动子结合并激活下游应激响应基因,正向调控非生物胁迫反应(Zhou等人,2023年)。类似地,PagMYB73的过表达通过上调抗逆基因来增强ROS清除和渗透调节,从而提高杨树的耐盐性(Zhao等人,2024年)。MYB转录因子的这些不同功能突显了其调控网络的复杂性,强调了进一步功能研究的必要性。
关于植物耐盐性的研究还表明,外源物质如GSH(Zhou等人,2018年)、褪黑素(Zeng等人,2022年)、一氧化氮(Cong等人,2024年)、细胞分裂素(Yu等人,2022年)和多胺(Kamiab等人,2020年)可以调节生长并增强应激适应能力。其中,GSH作为一种生长调节剂,激活多种生理过程,包括抗氧化防御和渗透调节,从而增强耐盐性(Fu等人,2025年;Gill等人,2013年;Pei等人,2019年;Rai等人,2023年;Schnaubelt等人,2013年)。然而,大多数关于GSH介导的应激反应的研究集中在抗氧化能力和光合作用等下游过程,而其精确的分子机制仍不清楚。我们之前的研究表明,叶面施用外源GSH可以提高番茄幼苗的耐盐性,并探讨了相关的生理机制(Zhou等人,2019年;Zhou等人,2018年;Zhou等人,2017年)。在本研究中,RNA-seq分析显示GSH通过调节植物激素信号转导、MAPK通路以及淀粉和蔗糖代谢来增强耐盐性。通过构建SlMYB48过表达和CRISPR/Cas9编辑的株系,阐明了SlMYB48在番茄幼苗耐盐性中的生物学功能。此外,GSH还抑制了SlMYB48的表达,从而调节抗氧化系统和渗透调节,增强了番茄幼苗的耐盐性。这些发现为进一步阐明GSH介导的番茄耐盐性分子机制提供了基础,并为其实际应用提供了指导,同时也强调了SlMYB48作为培育耐盐作物品种候选基因的潜力。

番茄生长条件和GSH处理

本研究使用了‘ Zhongshu No. 4’品种的番茄幼苗,该品种在中国番茄研究中常用,具有明确的遗传背景。幼苗在16小时光照(24–26°C)/8小时黑暗(16–18°C)的光周期条件下生长,中午的光子通量密度约为500 μmol·m⁻²·s⁻¹。在四叶一心期,幼苗被转移到含有10升全浓度Hoagland营养液的黑色塑料桶中。

外源GSH调节番茄幼苗的耐盐性

我们之前的研究表明,外源GSH显著增强了番茄幼苗的耐盐性(Zhou等人,2019年;Zhou等人,2018年;Zhou等人,2017年)。为了进一步探讨这一改善的分子机制,对用FCK、FN和FNG处理的幼苗叶片进行了RNA-seq分析。为了验证转录组数据的准确性和可靠性,随机选择了12个差异表达基因(DEGs)进行qPCR验证。qPCR结果显示表达趋势一致。

讨论

外源调节物质通常通过启动基因表达、调节代谢通路或激活信号级联反应来发挥增强植物耐盐性的作用(Zhang等人,2024年)。许多研究表明,外源GSH可以提高多种植物物种对非生物胁迫的耐受性。例如,GSH可以增强抗氧化系统并改善光合作用参数,从而提高番茄对低温的耐受性(Gul等人,2022年)。

结论

总之,结果表明,喷洒外源GSH通过协调调节植物激素信号转导、MAPK通路以及淀粉和蔗糖代谢,增强了番茄幼苗的耐盐性。此外,外源GSH显著下调了SlMYB48的表达。对SlMYB48过表达(OE)和敲除株系的表型、酶学和转录组分析证实,该转录因子在耐盐性中起负调控作用。

未引用的参考文献

(Wang等人,2019年;Wang等人,2021年;Wu等人,2022年;Zhang等人,2024年)

资助

本研究得到了新疆维吾尔自治区重大科技专项(项目编号2022A02005-2)、XJARS专项基金(XJARS-07)以及国家自然科学基金(项目编号31860550)的支持。

CRediT作者贡献声明

刘慧英:撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、方法论设计、资金申请、概念构思。 杨玉琪:实验研究。 魏玉欣:实验研究。 史玉杰:撰写 – 初稿撰写、数据可视化、实验研究。 李远新:实验研究、数据分析、数据整理。 李学珍:撰写 – 初稿撰写、数据可视化、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢新疆维吾尔自治区重大科技专项(项目编号2022A02005-2)、XJARS专项基金(XJARS-07)以及国家自然科学基金(项目编号31860550)的财政支持。

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