DREB2C.L-IAGLU模块通过糖代谢调控黄瓜长期耐热性的分子机制

《Horticulture Research》：The DREB2C.L-IAGLU module contributes to long-term heat stress via sugar metabolism in cucumber

本研究针对黄瓜(Cucumis sativus L.)长期耐热性评价体系不明确、分子机制不清的问题，通过建立幼苗期长期热胁迫(HS)评价系统，发现叶绿素a(Chl a)含量和过氧化氢酶(CAT)活性是关键指标。转录组分析揭示糖代谢在热响应中起核心作用，研究人员发现CsDREB2C.L通过直接结合CsIAGLU(Indoleacetic Acid glucosyltransferase)启动子激活其表达，该模块通过维持糖代谢稳态、促进气孔开放和叶绿素稳定性来增强耐热性。该研究为黄瓜耐热育种提供了新靶点，对应对气候变化具有重要意义。

　　

随着全球气候变暖加剧，热胁迫已成为制约农作物安全生产的重要环境因子。黄瓜作为世界范围内重要的蔬菜作物，虽然起源于热带，却意外地表现出热敏感性，其适宜生长温度仅为18-30°C。在中国夏季设施栽培中，气温常超过35°C，导致黄瓜出现下胚轴徒长、叶片灼伤、移栽成活率降低等问题，最终造成产量和品质的显著下降。尽管前期研究已鉴定出若干与耐热性相关的数量性状位点(QTL)，但针对幼苗期长期热胁迫的评价体系和分子调控机制仍不清楚，这严重制约了黄瓜耐热品种的选育进程。

为解决这一难题，中国农业大学三亚研究院赵健宇、张小兰团队与东北农业大学辛明团队合作，在《Horticulture Research》上发表了题为"The DREB2C.L-IAGLU module contributes to long-term heat stress via sugar metabolism in cucumber"的研究论文。该研究通过建立系统的长期耐热性评价体系，揭示了CsDREB2C.L-CsIAGLU分子模块通过调控糖代谢稳态介导黄瓜耐热性的新机制。

研究人员首先建立了黄瓜幼苗期长期热胁迫评价系统，通过对10个不同基因型黄瓜（包括华南型、华北型和美洲型）进行15天的热胁迫处理（42/28°C昼夜温度），系统评估了形态和生理指标。主成分分析(PCA)发现三个主成分可解释83.543%的总变异，通过逐步回归分析建立了以叶绿素a含量和过氧化氢酶(CAT)活性为核心指标的评价方程：H=1.281Chl a+0.018CAT-0.483（R²=0.964）。基于耐热性值(H)将10个基因型分为三类：PS76和AM218为强耐热型，PWRG为热敏感型。

转录组分析发现，热胁迫下XTMC中共有4767个差异表达基因(DEGs)，KEGG和GO富集分析均表明糖代谢相关通路显著富集。值得注意的是，UDP-糖基转移酶基因CsIAGLU在耐热基因型PS76中显著上调，而在热敏感基因型PWRG中无诱导表达。生理检测发现，热敏感型PWRG在热胁迫下积累了更高的可溶性糖、葡萄糖、果糖和蔗糖含量，而耐热型PS76保持相对稳定的糖水平。外源糖处理实验证实，糖以非渗透方式诱导气孔关闭，且低浓度葡萄糖（20-40 mM）促进幼苗生长，高浓度（80-100 mM）则抑制生长并加速叶绿素降解。

通过CRISPR-Cas9技术创制的Csiaglu突变体在热胁迫下表现出叶片卷曲黄化、叶绿素a含量降低、CAT活性下降、糖积累增加和气孔开度减小等热敏感表型。进一步研究发现，DREB转录因子CsDREB2C存在两个转录本：全长CsDREB2C.L（372个氨基酸）和保留第一内含子的截短型CsDREB2C.S（38个氨基酸）。表达分析显示CsDREB2C.L在耐热基因型中显著诱导，而CsDREB2C.S无响应。

双荧光素酶报告基因、酵母单杂交(Y1H)和电泳迁移率变动分析(EMSA)实验证实，CsDREB2C.L能直接结合CsIAGLU启动子区的DREB结合元件（P2区域）并激活其表达。Csdreb2c突变体表现出与Csiaglu突变体相似的热敏感表型，且CsIAGLU表达显著下调。相反，在黄瓜子叶中过表达CsIAGLU或CsDREB2C.L能增强耐热性，表现为叶绿素a含量和CAT活性升高、糖积累减少、气孔开度增大。

本研究的关键技术方法包括：基于10个黄瓜基因型的长期热胁迫表型评价系统、RNA-seq转录组分析、CRISPR-Cas9基因编辑、双荧光素酶报告基因检测、酵母单杂交和EMSA蛋白-DNA互作验证，以及黄瓜子叶瞬时过表达技术。

研究结果部分，在"Evaluation system of long-term heat tolerance at cucumber seedling stage"中，通过系统评价发现PS76和AM218为强耐热基因型，并确立了Chl a和CAT为核心评价指标。"Transcriptomic analysis of cucumber seedlings under HS"显示糖代谢通路显著富集，CsIAGLU表达具有基因型特异性。"Analysis of sugar metabolism in different genotypes under HS"证实糖积累水平与耐热性负相关，且糖以浓度依赖方式调控气孔运动。"Csiaglu mutant plants were sensitive to long-term HS"表明CsIAGLU通过维持糖稳态、促进气孔开放和抗氧化能力正调控耐热性。"CsDREB2C.L regulated the expression of CsIAGLU by directly binding to its promoter"揭示了CsDREB2C.L特异性激活CsIAGLU转录的分子机制。"CsDREB2C.L and CsIAGLU positively regulated HS resistance"通过遗传证据验证了该模块在耐热性中的核心作用。

讨论部分指出，该研究首次揭示了CsDREB2C.L-CsIAGLU模块通过调控糖代谢稳态介导黄瓜长期耐热性的新机制。在热胁迫下，该模块通过减少糖积累、维持气孔开放和叶绿素稳定性，有效缓解了"植物糖尿病"现象（即胁迫诱导的糖积累伴随的衰老症状）。序列比对显示IAGLU和DREB2C在甜瓜、西瓜、冬瓜和西葫芦等葫芦科作物中高度保守，表明该模块可能在瓜类作物中具有普适性功能。这些发现不仅为理解植物热胁迫响应提供了新视角，也为黄瓜乃至其他瓜类作物的耐热遗传改良提供了重要靶点。

综上所述，该研究系统解析了黄瓜长期耐热性的生理和分子基础，发现了CsDREB2C.L-CsIAGLU这一关键调控模块，阐明了糖代谢在热胁迫响应中的核心作用，为应对全球变暖背景下的蔬菜安全生产提供了理论基础和技术支撑。