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                                  最新觀點| Nat. Commun. 南京農業大學萬建民團隊通過全基因組關聯研究發現OsWRKY53是水稻耐鹽性的關鍵調控因子

                                  作者:高悅欣、董振營

                                  土壤鹽分是影響作物生長和最終產量的常見非生物脅迫之一,鹽害主要包括高pH脅迫、滲透脅迫以及離子毒害。植物已經進化出復雜的信號傳導途徑來對抗鹽分脅迫,然而目前只有很少基因被鑒定到介導主要作物水稻的耐鹽性,且其分子機制仍知之甚少。

                                  在此背景下,南京農業大學萬建民院士團隊于2023年6月在Nature子刊《Nature Communications》發表題為“Genome-wide association studies identify OsWRKY53 as a key regulator of salt tolerance in rice”的研究論文。本研究通過全基因組關聯分析(GWAS)挖掘出10個與水稻耐鹽(ST)性狀顯著相關的候選基因。進一步通過生物信息學分析和分子生物學實驗鑒定兩個ST關鍵基因,WRKY轉錄因子家族成員OsWRKY53與編碼絲裂原活化蛋白激的OsMKK10.2,它們介導根部Na+流和Na+穩態。進一步發現OsWRKY53轉錄因子可以通過負調控OsMKK10.2 OsHKT1;5(鈉離子轉運蛋白基因)協同調控水稻鹽堿脅迫。

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                                  作者首先對來自世界各地的268個水稻品系進行耐鹽性狀的評估,共檢測了8個ST相關性狀,包括芽高(SH)、芽鮮重(SFW)、芽干重(SDW)、芽含水量(SWC)、芽Na+濃度(SNC)、芽K+濃度(SKC)、芽Na+/K+濃度比(SNKR)和存活率(SR),發現耐鹽性與SH、SFW、SDW、SWC、SNC呈正相關,與SNC、SNKR和SKC呈負相關。隨后作者利用測序基因分型(GBS)產生的2,535,266個單核苷酸變異(SNVs)進行全基因組關聯分析(圖1),共鑒定出83個耐鹽性狀相關位點。進一步篩選出十個關鍵基因,其中八個已被報道,作者重點研究了兩個新基因OsWRKY53 和OsMKK10.2 對ST的作用,并探索了它們對耐鹽性的調控機制。

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                                  圖1. 八個耐鹽性狀的GWAS研究

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                                  隨后作者通過CRISPR敲除系(Cr-oswrky53)和過表達系(OsWRKY53-OE)來驗證OsWRKY53 在水稻鹽脅迫下的功能。與WT相比,Cr-oswrky53 在鹽脅迫恢復10天后表現出較高的鮮重比和的存活率,而OsWRKY53-OE 系顯示出較低的鮮重比和存活率,表明OsWRKY53負調控水稻耐鹽性。作者進一步通過非損傷微測技術檢測敲除和過表達系根部和木質部鈉離子流,發現OsWRKY53可以通過影響鈉離子的外排和向地上部分的運輸來介導水稻耐鹽(圖2)。

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                                  圖2. WRKY53的鑒定和特征分析

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                                  隨后作者構建了OsMKK10.2 的敲除株系和過表達株系。結果顯示與野生型相比,鹽脅迫下敲除株系表現出高敏感性,且具有高鈉離子含量和Na/K比,而過表達株系則恰好相反,表明OsMKK10.2是水稻耐鹽性正調控因子。同樣通過非損傷微測技術對轉基因株系進行根部鈉離子流量的檢測,結果顯示敲除株系的鈉離子流動低于野生型,表明OsMKK10.2通過影響鈉離子外排影響水稻耐鹽(圖3)。

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                                  圖3. MKK10.2的鑒定和特征

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                                  圖4. OsWRKY53-OsMKK10.2和OsWRKY53-OsHKT1;5模塊協調水稻防御離子脅迫的分子機制

                                  綜上,文章通過GWAS挖掘到兩個與耐鹽性狀相關的基因,以OsWRKY53作為耐鹽負調節關鍵因子,通過OsWRKY53-OsMKK10.2和OsWRKY53-OsHKT1等模塊調節離子穩態,在鹽脅迫下發揮重要作用。OsWRKY53調控網絡的發現為提高水稻環境適應性提供了線索,為實現農業可持續發展提供了方向。



                                  原文鏈接:

                                  https://www.nature.com/articles/s41467-023-39167-0



















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