2022年3月，西南大学罗克明教授课题组在Tree Physiology在线发表了题为PtoMYB142, a poplar R2R3-MYB transcription factor, contributes to drought tolerance by regulating wax biosynthesis的论文。该研究揭示了PtoMYB142通过激活CER4和KCS6的表达使杨树叶片表皮蜡沉积，增强了植株抵御干旱的能力。明确了蜡质与抵御干旱胁迫的联系，为抗干旱胁迫品种改良奠定了基础。![]()
=== 研究背景 ===
干旱是限制植物发育和生长的主要环境因素之一。因此，植物进化出各种策略来防止干旱胁迫下的水分流失，例如气孔关闭、维持根部水分吸收、增强茎部水分运输以及表皮蜡的合成和沉积。植物角质层蜡是由超长链脂肪酸 (VLCFAs) 及其衍生物的混合物组成，主要包括醛类、烷烃类、醇类和酸类衍生物。尽管一些转录因子已被证明可以调节蜡质合成，但与角质层蜡质沉积相关的转录调控网络在很大程度上仍不清楚。MYB转录因子是协调植物发育与干旱胁迫的关键调控因子，本研究旨在探究MYB转录因子在调控杨树表皮蜡合成和提高抗旱性方面的作用和分子机制。# 思维导图： ![]()
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=== 研究结果 ===
1. 抗旱突变体在Populus-FOX-Arabidopsis文库中的鉴定与分析
通过FOX基因捕获技术在转基因拟南文库中鉴定了一个干旱诱导的毛白杨MYB转录因子，经BLAST分析，该片段与PtrMYB142（Potri.012G055600.1）同源。为了证实PtoMYB142在植物响应干旱胁迫中的作用，创制了PtoMYB142过表达拟南芥。与WT拟南芥相比，PtoMYB142-OE拟南芥的耐旱性显著增强，表明PtoMYB142可能参与了干旱胁迫的调控 (附图1)。![]()
附图1. (A) 野生型 (WT) 和PtoMYB142-OE拟南芥植株脱水7天后再浇水3天的耐旱表型。
2.干旱胁迫诱导白杨叶片中PtoMYB142的表达为研究PtoMYB142在杨树不同组织中的表达规律，通过RT-qPCR和proPtoMYB142:GUS转基因植株的GUS染色发现PtoMYB142主要在茎和叶中表达 (图1A和B)。用10% PEG6000处理后PtoMYB142的表达量显著上升 (图1C, 图1D和图1E)。![]()
图1. PtoMYB142在杨树中的表达模式。(A) 毛白杨不同组织中PtoMYB142的相对表达量。(B) PtoMYB142启动子驱动的GUS报告基因在杨树茎、叶和根中的染色。(C) PEG处理后PtoMYB142的表达量。(D) 在10% PEG6000处理3小时后，含有PtoMYB142启动子驱动的GUS报告基因的转基因杨叶的组织学染色。(E) PEG6000处理3小时后报告系中PtoMYB142启动子驱动的GUS活性的定量测定。
3. PtoMYB142在毛白杨中过表达可抑制干旱胁迫下植株的生长和氧化损伤为了研究PtoMYB142在杨树中对非生物胁迫的响应中的作用，创制了PtoMYB142-OE毛白杨过表达株系 (L1和L2)。经过20天的干旱处理后，3月龄WT植株的叶片出现了萎蔫现象，而PtoMYB142-OE株系则没有出现不良反应 (图2A和B)，表明其对干旱胁迫的耐受性增强。正常情况下与WT植株相比，PtoMYB142-OE杨树的株高和茎粗分别降低了15.7%和18.1% (图2C和D)，而干旱处理前后PtoMYB142-OE杨树与WT差异不明显 (图2C和D)。PtoMYB142-OE杨树的相对含水量 (RWC) (图2E) 和鲜重 (图2F) 均高于WT，说明在缺水条件下防止水分流失和抑制植株生长可以提高抗旱性。干旱胁迫会导致植物体内ROS的积累，从而导致氧化胁迫增强，抑制植物生长。为了进一步确定WT和PtoMYB142-OE杨树脱水引起的氧化损伤，作者分别采用DAB和硝基蓝四氮氯化铵 (NBT) 染色检测H2O2和O2−的积累。WT和PtoMYB142-OE植株的叶片在干旱模拟处理下显示轻微染色 (附图2和B)。干旱处理8天后，WT叶片的褐斑和蓝斑比PtoMYB142-OE严重 (附图2和B)。与WT相比，PtoMYB142-OE的过氧化物酶 (POD) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性，可溶性糖和脯氨酸含量也明显升高 (图3A-D)。抗氧化酶基因(CAT2和POD2)在PtoMYB142-OE株系干旱条件下的表达水平均上调 (图3E和F)。综上所述，结果表明PtoMYB142正调控杨树抗氧化活性，提高了杨树的抗旱性。![]()
附图2. 干旱胁迫下，PtoMYB142的过表达降低了毛白杨体内ROS的积累。(A) (1)正常条件下和 (2) 干旱处理8天时幼苗叶片的NBT染色情况。(B) (1) 正常条件下和(2)干旱处理8天的幼苗叶片DAB染色。
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图2. PtoMYB142的过表达提高了转基因植株的抗旱性。(A) 3月龄WT和PtoMYB142-OE杨树的表型。(B) 干旱处理后WT和PtoMYB142-OE植株的形态差异。 (C) 株高测定。(D) 茎粗测定。(E) 鲜重变化的测量。(F) 相对含水量 (RWC) 的变化。
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图3. 干旱胁迫下，PtoMYB142的过表达导致可溶性糖、脯氨酸含量和活性氧清除酶活性增加。(A, B) POD和CAT活性。(C, D)可溶性糖和脯氨酸含量。(E, F) CAT2和POD2的相对表达量。
4. PtoMYB142-OE杨树表皮蜡质积累减少了水分流失
形态学观察发现PtoMYB142-OE杨树的叶片比WT的叶片更有光泽 (图4A)，可能是表皮蜡沉积发生了变化。与WT叶片相比，干旱处理后PtoMYB142-OE叶片的叶绿素含量提取速度更慢 (图4B)，PtoMYB142-OE杨树的叶片蒸腾速率 (Tr) 比WT慢 (图4C)。为了确认WT和PtoMYB142-OE植物叶片表面的表皮蜡沉积是否发生了变化，扫描电镜 (SEM) 观察发现PtoMYB142-OE叶片表面有大量的表皮蜡晶体，而在WT叶片上仅出现少量蜡晶体 (图4D)。接着，作者采用气相色谱-质谱联用 (GC-MS) 测定了WT和PtoMYB142-OE杨叶的表皮蜡含量和组成。如图5A所示，与WT相比，PtoMYB142-OE叶片的总蜡负荷提高了2.88-4.59倍，脂肪酸、醇类和烷烃含量也发生了变化，尤其是醇混合物的积累水平提高了13.75-24.06倍 (图5B)， 四种醇的含量显著增加 (图5C)。此外，PtoMYB142-OE植株脂肪酸 (C21) 和烷烃 (C40) 的生物合成也较多 (图5C)。这些结果表明PtoMYB142正向调节杨树叶片角质层蜡的生物合成，特别是增加醇类的积累，从而减少水分的非气孔蒸腾，增强杨树的抗旱性。![]()
图4. PtoMYB142促进毛白杨叶蜡沉积。(A) 3月龄WT和PtoMYB142-OE转基因杨树第5片叶表型。(B) 叶绿素浸出测定。(C) 植株叶片失水情况。(D) WT和PtoMYB142-OE转基因植株叶蜡晶体的扫描电镜 (SEM) 图像。
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图5. WT和PtoMYB142-OE植物叶片角质层蜡质组成。(A) WT和PtoMYB142-OE叶片角质层蜡质负荷。(B) WT和PtoMYB142-OE的脂肪酸、醇类和烷烃负荷。(C) WT和PtoMYB142-OE植物角质层蜡质组成。
5. PtoMYB142直接结合CER4和KCS6的启动子，激活表皮蜡质生物合成
为了确定PtoMYB142如何调控叶表皮蜡合成，分析了表皮蜡合成基因的表达水平。CER4在PtoMYB142-OE杨树株系 (L1和L2) 中的表达量是WT中表达量的2.84倍和10.99倍 (图6A)，KCS6在PtoMYB142-OE杨树株系 (L1和L2) 中的表达量是WT中表达量的5.35倍和12.42倍。此外，PEG处理也显著诱导了CER4和KCS6 (图6B和C)。![]()
图6. PtoMYB142正向调节WT和PtoMYB142-OE杨树蜡质合成基因的表达。(A) WT和PtoMYB142-OE杨树蜡合成基因的表达水平。(B, C) PEG处理下CER4和KCS6的表达量。
为了探究PtoMYB142是否直接调控CER3、CER4和KCS6的表达，在CER3、CER4和KCS6的启动子区中分别预测了3个和2个假定的MYB结合序列。在Y1H检测中，PtoMYB142被鉴定为直接结合CER4和KCS6启动子的T2位点 (图7B)。与对照组相比，PtoMYB142分别激活了CER4和KCS6启动子 (图7D)。此外，利用GFP抗体对PtoMYB142-GFP转基因植株进行ChIP-PCR检测。与WT相比，免疫沉淀后，CER4和KCS6中含有MBS的启动子区域T2位点的富集量分别是对照的1.97倍和3.04倍 (图7E)，证明了PtoMYB142在体内特异性结合CER4和KCS6启动子区域的MBS序列。![]()
图7. CER4和KCS6是PtoMYB142的直接靶点。(A) MYB结合位点在PtoCER4和PtoKCS6启动子区域的分布。(B) Y1H实验。(C) 用于瞬态表达分析的效应蛋白和报告蛋白构建体示意图。(D) 瞬转激活试验。(E) ChIP-qPCR分析。(F) PtoMYB142介导的蜡质生物合成调节杨树抗旱性的假设模型。
=== 总结 ===
作者提出了PtoMYB142调节叶蜡沉积以响应干旱胁迫的假设工作模型。干旱胁迫诱导PtoMYB142的表达，PtoMYB142又促进了CER4和KCS6的表达，导致表皮蜡沉积，增强了对干旱的抗性。研究结果揭示了干旱胁迫下PtoMYB14作为一个重要的调节因子对提高杨树叶片蜡质含量和组成的影响，从而明确杨树抗旱的一种新机制。
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