干旱是非生物因素中对植物生长影响最为严重的一种。棉花作为一种重要的经济作物，其种子纤维、油脂及蛋白质拥有很高的综合使用价值。然而，干旱压力极大地影响了棉花的产量和质量。泛素化作为蛋白质翻译后的常见修饰方式，其中RING型E3泛素连接酶在植物抵抗干旱的过程中扮演着关键角色。不过，这种E3泛素连接酶参与的耐旱调控网络至今尚未完全明了。
近日，南京农业大学棉花遗传与种质创新利用团队在国际知名学术期刊 Plant Physiology 在线发表了题为“MYB30-INTERACTING E3 LIGASE 1 regulates LONELY GUY 5-mediated cytokinin metabolism to promote drought tolerance in cotton”的研究论文。这项研究揭示了一个名为GhMIEL1-GhMYB66-GhLOG5的新分子机制，该机制通过调控细胞分裂素介导的棉花根系发展，从而增强棉花的抗旱能力。
研究中确定了一个由干旱条件激活的基因GhMIEL1，该基因编码一种属于RING型E3泛素连接酶家族的蛋白质——棉花MYB30-INTERACTING E3 LIGASE 1。GhMIEL1的表达可被聚乙二醇（PEG-6000）和植物激素脱落酸（ABA）触发。基因型分析显示，GhMIEL1与植物的干旱适应性特征紧密关联。研究发现，GhMIEL1能作为E3泛素连接酶，在特定条件下自我泛素化。通过对GhMIEL1进行沉默处理或过表达处理，发现该基因对棉花的抗旱性能有着显著的影响，这证明了GhMIEL1在棉花应对干旱环境中的核心作用。此外，过表达GhMIEL1的转基因棉花表现出更好的根系形态，包括更长的根系总长度和更多的根尖数。
进一步的研究指出，过表达GhMIEL1的棉花与对照组相比，根部组织中与“细胞壁生物合成”相关的基因表达水平有所提升，同时这些植株根部的活性细胞分裂素含量也有所增加。研究还发现，MYB类转录因子GhMYB66与GhMIEL1存在相互作用，并且GhMYB66能够被GhMIEL1泛素化并最终降解。当GhMYB66被沉默时，植物的根系特性发生了变化，类似于GhMIEL1过表达的情况，表现为根长和根尖数目的增加以及活性细胞分裂素含量的上升，这与提高植物抗旱性有关。
深入研究表明，GhMYB66能够直接与GhLOG5基因启动子区的MYB结合位点结合，从而抑制其表达。GhLOG5负责编码一种细胞分裂素核苷5′-单磷酸磷酸核糖水解酶，这种酶能将非活性的细胞分裂素核苷酸转化成活性形式。在干旱环境下，GhLOG5的沉默导致根系中活性细胞分裂素水平下降，影响根系的发展，减少了植物的抗旱性。
总结而言，RING型E3泛素连接酶GhMIEL1能够通过泛素化和降解MYB转录因子GhMYB66来解除后者对GhLOG5表达的抑制作用。随着GhLOG5表达量的增加，植物根系内的活性细胞分裂素水平得到提升，促进了根系的生长，增强了棉花的抗旱性。这项研究不仅增进了我们对植物泛素化途径如何参与耐旱性调控的理解，同时也为通过调节E3泛素连接酶以提高作物抗旱性提供了新的思路。
GhMIEL1-GhMYB66-GhLOG5分子模块调控棉花耐旱性的工作模式图
实验室博士研究生陈川和张大勇副教授为论文共同第一作者，郭旺珍教授为论文通讯作者。钟山青年研究员李维希，已毕业博士研究生金暄翔、硕士研究生钮鑫和许慧娟参与了部分研究工作。该研究得到农业生物育种重大专项、国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目、江苏省重点研发计划、江苏现代作物生产协同创新中心等项目资助。
