CmHRE2L-CmACS6转录级联反应负调控菊花耐涝性研究新发现

为探究菊花在涝渍胁迫下乙烯生物合成机制，研究人员发现 CmHRE2L-CmACS6模块负调控其耐涝性。

　　涝渍，这个看似不起眼的自然现象，却能给植物带来巨大的挑战。在全球范围内，涝渍灾害影响着众多国家，我国也深受其扰。当土壤被水淹没，氧气含量会急剧下降，植物的根系就像被捂住了口鼻，难以正常呼吸，生长也因此受到严重影响。菊花，作为我国极具观赏、药用和经济价值的花卉，却因其浅根系的特点，在涝渍面前显得格外脆弱。

在以往的研究中，虽然发现乙烯在植物应对涝渍胁迫时起着重要作用，它就像一个信号兵，能促使植物产生一些适应性变化，比如促进通气组织和不定根的发育，帮助植物在缺氧环境中生存。而且在菊花中，乙烯的作用也有迹可循，不同耐涝性的菊花品种在遭受涝渍时，乙烯的产生量有所不同。但菊花在涝渍胁迫下，乙烯生物合成的分子调控网络依旧是一团迷雾，这也让研究人员决心揭开它的神秘面纱。

南京农业大学的研究人员挺身而出，针对这一问题展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Molecular Horticulture》上，为菊花应对涝渍胁迫的研究开辟了新的道路。

为了深入探究菊花在涝渍胁迫下的生理变化及分子机制，研究人员采用了多种技术方法。他们精心培育菊花植株，在不同时间点采集样本，运用定量实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）技术，精确检测基因的表达水平；通过测定电解质渗漏、叶片损伤率、叶绿素含量以及乙烯产量等生理指标，直观地了解菊花在涝渍胁迫下的生理状态；利用基因克隆技术获取目标基因，再借助遗传转化技术培育转基因菊花植株，从而验证基因的功能；还运用了 RNA 测序技术，分析不同转基因植株的基因表达差异，挖掘潜在的调控机制；病毒诱导的基因沉默技术也派上了用场，用于进一步验证基因之间的调控关系。

研究结果如下：

1. 涝渍胁迫下菊花乙烯产量的变化：研究人员将菊花‘Jinba’置于涝渍环境中，密切监测其根和叶在不同时间点的乙烯产量。结果发现，根中的乙烯产量在涝渍 1 小时后有所增加，但随后波动不大；而叶片中的乙烯产量在整个涝渍处理期间都显著高于对照组，12 小时时达到峰值。这表明涝渍胁迫能明显提高菊花叶片中的乙烯产量。为了探究乙烯对菊花表型的影响，研究人员在涝渍处理中添加外源乙烯。结果发现，添加外源乙烯的菊花植株表现出更严重的涝渍敏感表型，叶片发黄现象加剧，这说明外源乙烯会增强菊花‘Jinba’对涝渍胁迫的敏感性。
2. CmACS₆在涝渍胁迫下的作用：研究人员在分析前期 RNA 测序数据时，发现了乙烯合成相关基因 CmACS₆。在涝渍胁迫下，该基因在‘Jinba’根中的表达迅速上调，12 小时时达到峰值。进一步研究发现，CmACS₆编码的蛋白具有 ACC 合酶催化功能，能够促进乙烯的生物合成。通过构建 CmACS₆过表达和沉默转基因植株，研究人员发现，过表达 CmACS₆会使植株产生更多乙烯，在涝渍胁迫下表现出更敏感的表型，叶片损伤率更高，叶绿素含量更低；而沉默 CmACS₆则会降低乙烯产量，提高植株的耐涝性。这充分说明 CmACS₆在调节菊花耐涝性方面起着负面作用。
3. 转录组测序揭示的差异：对 CmACS₆转基因植株进行转录组测序后，研究人员发现，与过表达株系相比，沉默株系中有 1801 个差异表达基因（DEGs）。这些差异表达基因在氧化还原酶活性、类黄酮生物合成途径、蛋白质去磷酸化、MAPK 信号通路以及淀粉和蔗糖代谢途径等方面显著富集。这表明这些途径在 CmACS₆沉默株系应对涝渍胁迫的过程中发挥着重要作用。同时，与野生型相比，CmACS₆过表达株系中叶绿素代谢过程基因和叶片衰老基因显著上调，叶绿素结合基因下调，这也解释了为什么过表达株系的叶片更容易发黄衰老。
4. CmACS₆的调控机制：为了探究 CmACS₆基因的表达调控机制，研究人员构建了含有 CmACS₆启动子的转基因拟南芥植株。GUS 染色结果显示，涝渍处理后，植株叶片和根中的 GUS 信号增强，说明涝渍能提高 CmACS₆启动子的活性。通过 DNA 亲和捕获技术、酵母单杂交分析、电泳迁移率变动分析（EMSA）以及染色质免疫沉淀 - qPCR 分析（ChIP-qPCR）等一系列实验，研究人员证实了乙烯响应因子 CmHRE₂L 能够直接结合到 CmACS₆启动子的 GCC-like 基序上，从而激活 CmACS₆的表达。此外，烟草瞬时表达 LUC 分析和菊花原生质体双荧光素酶分析也表明，CmHRE₂L 在体内能够激活 CmACS₆的表达。
5. CmHRE₂L 的功能验证：研究发现，CmHRE₂L 基因在菊花根中高表达，且在涝渍胁迫下显著上调。对 CmHRE₂L 转基因植株的研究表明，过表达 CmHRE₂L 会使下游 CmACS₆基因的表达上调，乙烯产量增加，植株在涝渍胁迫下表现出更敏感的表型；而沉默 CmHRE₂L 则会下调 CmACS₆基因的表达，降低乙烯产量，提高植株的耐涝性。这说明 CmHRE₂L 在调节菊花耐涝性方面同样起着负面作用。
6. CmACS₆对 CmHRE₂L 功能的影响：为了验证 CmHRE₂L 对乙烯生物合成和涝渍响应的调控是否依赖于 CmACS₆，研究人员在 CmHRE₂L 过表达株系中沉默 CmACS₆基因。结果发现，沉默 CmACS₆后，植株的乙烯产量降低，在涝渍胁迫下的损伤症状减轻，耐涝性有所提高。这表明 CmHRE₂L 对菊花涝渍胁迫响应的调控部分依赖于 CmACS₆。

综合研究结果，研究人员发现了一个全新的分子模块 ——CmHRE₂L-CmACS₆，它在调节菊花乙烯生物合成和耐涝性方面起着关键作用。在涝渍胁迫下，CmHRE₂L 会结合到 CmACS₆启动子上，促进其转录，进而增加乙烯的产生量。过多的乙烯会导致菊花叶片发黄，降低植株的耐涝性。这一发现为深入理解菊花应对涝渍胁迫的分子机制提供了重要依据，也为培育耐涝性更强的菊花品种奠定了理论基础。

不过，目前的研究仍存在一些局限性。比如，虽然发现了 CmHRE₂L-CmACS₆模块，但该模块与其他信号通路之间的相互作用还不清楚；而且，菊花中 ACS 基因家族存在功能冗余，其他 ACS 同源基因在涝渍胁迫下的具体作用也有待进一步研究。未来，研究人员可以围绕这些问题展开深入探索，为菊花的抗涝研究提供更多有价值的信息。