葡萄VviEPFL9-2基因敲除通过降低气孔密度提升水分利用效率的气候适应机制研究

本研究针对气候变化下葡萄栽培面临的水分胁迫问题，通过CRISPR/Cas9技术敲除VviEPFL9-2基因，发现该基因在叶片扩展期特异性调控气孔密度（SD）。突变体气孔密度降低84%后，水分利用效率（iWUE）显著提升且光合作用影响轻微，为应对干旱气候的葡萄品种改良提供了新靶点。

　　

随着全球气候变化加剧，高温和干旱胁迫对葡萄栽培产业构成严峻挑战。气孔作为植物与外界环境进行气体交换的主要通道，其发育调控机制成为提高作物水分利用效率的关键科学问题。在拟南芥中，EPFL9（表皮模式因子样9）基因已被证实通过肽信号调控气孔密度，但葡萄中两个同源基因VviEPFL9-1和VviEPFL9-2的功能分化及其在干旱适应中的作用尚不明确。

意大利Edmund Mach基金会的研究团队通过多学科方法揭示了VviEPFL9-2在葡萄气候适应中的核心作用。研究发现，与仅在叶原基表达的VviEPFL9-1不同，VviEPFL9-2在叶片扩展期持续表达，其表达受ABA（脱落酸）显著抑制。通过CRISPR/Cas9构建的VviEPFL9-2敲除突变体表现出84%的气孔密度降低，在保持光合速率（A_sat）的同时显著提升内在水分利用效率（iWUE）。该成果发表于《Plant Cell Reports》，为通过基因编辑优化葡萄气候适应性提供了理论依据和技术路径。

关键技术包括：1）基于RNA-seq的基因表达谱分析；2）CRISPR/Cas9基因编辑构建VviEPFL9-1/2突变体；3）LI-6800便携式红外气体分析仪测定气体交换参数；4）渐进式水分胁迫实验设计；5）跨品种（‘Sugraone’、‘Syrah’、‘Kober 5BB’）表型验证。

VviEPFL9同源基因的差异调控

通过温室和田间实验发现，VviEPFL9-1仅在叶原基表达，而VviEPFL9-2在叶片扩展期持续表达。RNA-seq数据分析显示VviEPFL9-2在叶片中的表达量显著高于VviEPFL9-1，且受ABA处理显著抑制（P<0.001）。

基因编辑创制低气孔密度材料

利用双sgRNA策略构建的VviEPFL9-2突变体Su_epfl9-2b气孔密度降低84%，而VviEPFL9-1突变体不影响成熟叶片气孔密度。跨品种验证表明该效应在‘Syrah’和砧木‘Kober 5BB’中同样存在。

生理性能的系统评估

Su_epfl9-2b突变体在饱和光强下光合速率（15 μmol m^-2 s^-1）虽低于野生型（20 μmol m^-2 s^-1），但表现出更高的VPD（蒸汽压差）临界点（3.0 vs 2.5 kPa），说明气孔开闭调控机制改变。水分胁迫14天后，突变体茎水势（Ψ_stem）维持在-0.4 MPa，显著优于野生型（-1.4 MPa）。

田间适应性验证

在渐进式水分胁迫实验中，VviEPFL9-2过表达株系死亡率最高（60%），而敲除株系‘Syrah_epfl9-2’实现零死亡率，证实低气孔密度对干旱适应的正向效应具有基因型依赖性。

该研究首次阐明葡萄EPFL9同源基因的功能分化，证实VviEPFL9-2通过“气孔密度-水分利用效率”调控轴增强干旱适应性。特别值得注意的是，当气孔密度降低约60%（Su_epfl9-2a）时，光合参数与野生型无显著差异，这一发现为平衡“光合效率-节水性能”提供了精准编辑窗口。研究建立的跨品种验证体系（鲜食葡萄、酿酒葡萄、砧木）表明该策略具有普适性，为应对地中海气候区日益严重的干旱问题提供了分子育种新思路。