南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授以通訊作者身份在植物學(xué)領(lǐng)域知名期刊《Plant Physiology》上發(fā)表研究成果，在蘿卜肉質(zhì)根耐熱性狀形成機(jī)制方面取得新進(jìn)展

近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國重點實驗室/園藝學(xué)院蘿卜遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用團(tuán)隊在植物學(xué)領(lǐng)域知名期刊《Plant Physiology》上發(fā)表了題為“The RsWRKY18-RsHSFA2 module confers thermotolerance by activating RsHSP22 during taproot thickening in radish”的研究論文，揭示了RsWRKY18與RsHSFA2協(xié)同增強(qiáng)蘿卜耐熱性與肉質(zhì)根膨大的分子機(jī)制。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國重點實驗室/園藝學(xué)院、生物育種鐘山實驗室在讀博士生李景雪為第一作者，柳李旺教授為通訊作者。

蘿卜是十字花科蘿卜屬重要根菜類蔬菜，營養(yǎng)豐富，食療價值高。蘿卜性喜冷涼氣候、不耐熱，全球氣候變暖導(dǎo)致的夏季高溫天氣頻發(fā)、持續(xù)時間延長，已成為制約蘿卜夏季和早秋栽培的主要非生物脅迫因子。高溫會破壞蘿卜植株的光合作用與呼吸作用平衡，導(dǎo)致活性氧（ROS）爆發(fā)，引發(fā)膜脂過氧化和細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷。此外，高溫直接干擾肉質(zhì)根的次生生長，影響形成層細(xì)胞的分裂活性、木質(zhì)部與韌皮部的分化平衡，以及薄壁細(xì)胞的膨大與物質(zhì)積累，從而導(dǎo)致肉質(zhì)根形態(tài)異常、木質(zhì)素合成加劇、糖分代謝失調(diào)和硫代葡萄糖苷代謝變化。

目前對蘿卜高溫脅迫的研究多集中于地上部葉片（如光合作用、抗氧化酶系統(tǒng)等），而對地下部肉質(zhì)根的特異性響應(yīng)機(jī)制（如膨大相關(guān)基因調(diào)控、次生代謝物積累變化等）認(rèn)知有限。因此，高溫脅迫下肉質(zhì)根響應(yīng)的關(guān)鍵基因及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析成為解析耐熱性狀形成機(jī)制的重要策略。但目前關(guān)于蘿卜如何在高溫協(xié)調(diào)“防御應(yīng)答”與“生長發(fā)育”的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚不清楚。

該研究基于比較蛋白質(zhì)組學(xué)分析鑒定出受熱誘導(dǎo)的熱激蛋白RsHSP22，亞細(xì)胞定位實驗表明其定位于線粒體中。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其啟動子中包含多個W-box元件和一個HSE元件，活性分析表明，HSE元件的缺失或突變會減弱熱脅迫下GUS和LUC的活性。同時，上游四個W-box元件的缺失也略微降低了熱脅迫下RsHSP22啟動子的活性，這表明含W-box元件的啟動子可能增強(qiáng)RsHSP22對熱脅迫的響應(yīng)（圖1）。利用酵母單雜交（Y1H）、雙熒光素酶報告基因?qū)嶒灒―LA）和凝膠遷移阻滯電泳（EMSA）等生化技術(shù)分析表明，RsWRKY18與RsHSFA2分別通過特異性結(jié)合RsHSP22啟動子上的W-box元件（TTGACC）和HSE元件(TTCATCTGAAATTC)激活其表達(dá)。

圖1 RsHSP22的鑒定和啟動子活性分析

表型分析表明，與對照植株相比，40℃處理下，過表達(dá)RsWRKY18植株耐熱性升高，而沉默RsWRKY18的蘿卜植株肉質(zhì)根膨大明顯受阻（圖2）。進(jìn)一步Y(jié)1H、DLA分析表明，RsWRKY18可激活肉質(zhì)根膨大相關(guān)基因RsXTH32、RsEXPA9、RsKNAT1和RsWOX14表達(dá)。Y2H、LCI、BiFC、Pull-down分析表明，RsWRKY18與RsHSFA2在植物體內(nèi)體外存在蛋白互作。競爭性EMSA分析表明，RsWRKY18可增強(qiáng)高溫脅迫下RsHSFA2對RsHSP22基因的激活能力（圖3）。

圖2 沉默RsWRKY18減弱蘿卜耐熱性和肉質(zhì)根膨大

圖3 RsHSFA2和RsWRKY18協(xié)同調(diào)控蘿卜耐熱性

基于以上分析，提出RsWRKY18-RsHSFA2協(xié)同增強(qiáng)蘿卜肉質(zhì)根耐熱性的遺傳機(jī)制：當(dāng)蘿卜遭受高溫脅迫時，RsWRKY18與RsHSFA2被迅速誘導(dǎo)并發(fā)生蛋白互作，共同靶向熱激蛋白基因RsHSP22以增強(qiáng)植株耐熱性；同時，RsWRKY18單獨靶向其依賴的RsXTH32、RsEXPA9等肉質(zhì)根膨大相關(guān)基因，從而協(xié)同調(diào)控蘿卜的耐熱性與肉質(zhì)根發(fā)育。在高溫條件下，耐熱基因型‘NAU-XBC’和熱敏基因型‘NAU-YB’中RsHSFA2、RsWRKY18、RsHSP22轉(zhuǎn)錄水平的差異決定了其耐熱性不同（圖4）。

圖4 RsWRKY18-RsHSFA2協(xié)同增強(qiáng)蘿卜耐熱性的模式圖

綜上所述，本研究解析了RsWRKY18-RsHSFA2模塊通過靶向熱激蛋白基因和發(fā)育相關(guān)基因，協(xié)同調(diào)控蘿卜耐熱性與肉質(zhì)根發(fā)育的分子機(jī)制，研究結(jié)果為蘿卜耐熱性狀遺傳改良與優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)新提供了重要的分子靶標(biāo)與理論基礎(chǔ)。

論文發(fā)表同期，《Plant Physiology》在其News and Views專欄發(fā)表了由斯坦福大學(xué)Héctor H. Torres Martínez博士撰寫的題為‘In the thick of it: radish thermotolerance and root development under heat shock’的專文評述，指出該項研究揭示了在蘿卜中連接熱脅迫響應(yīng)與肉質(zhì)根膨大的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模塊，為根莖類作物耐熱高產(chǎn)分子育種提供了重要靶點和理論依據(jù)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag007