項目文章 | New Phytol：轉錄因子 PdNF-YB21 參與毛果楊乾旱響應

前言

2020 年 3 月，北京林業大學夏新莉教授為通訊作者，在 New Phytologist 雜誌（IF: 8.512）在線發表了題為「Root‐specific NF‐Y family transcription factor, PdNF‐YB21, positively regulates root growth and drought resistance by abscisic acid‐mediated indoylacetic acid transport in Populus」的研究論文，深入探討了轉錄因子 PdNF-YB21 在毛果楊乾旱響應中的作用機制。

北京林業大學周揚顏為第一作者，文章中酵母文庫實驗由歐易生物完成。

研究背景

乾旱是制約植物生長和產量的主要環境因素。NF-Y 是一類轉錄因子，由 NF-YA、NF-YB 和 NF-YC 3 個亞基構成。研究表明，單個 NF-Y 亞基廣泛參與植物生長、發育和應激響應調節以及 ABA 信號傳導中。根系生長控制在植物對乾旱脅迫的適應中起著重要的作用，擬南芥和玉米中的研究表明，NF-Y 家族成員可以通過調節植物根系生長和 ABA 信號傳導提高植物抗旱性和產量，但這種調控的潛在分子機制仍不清楚。

研究內容

本研究從毛果楊中分離出一個根特異性轉錄因子 PdNF-YB21，通過過表達和敲除實驗表明，PdNF-YB21 可以促進根的生長並改變根的結構，使木質素累積增加、木質部導管增大，提高根部的導水率，進而增強了抗旱能力。通過酵母雙雜交篩選實驗，PdNF-YB21 可以與轉錄因子 PdFUS3 直接結合，PdFUS3 又可以直接激活 ABA 合成關鍵基因 PdNCED3，導致根中 ABA 含量的顯著增加，最終引起生長素在根中的轉運，促進了根的生長和結構改變。本研究表明 NF-YB21-FUS3-NCED3 在生長素調節的楊樹根系生長對乾旱的反應中起著重要的作用。

研究結果

1. 根特異性轉錄因子 NF-YB21 的鑑別和克隆

毛果楊中 NF-YB 家族共包含 21 個成員，為了篩選乾旱脅迫相關的根特異性轉錄因子，對 21 個 NF-YB 成員分別進行了 RT-PCR 檢測。結果顯示，PdNF-YB21 在根組織中高表達，並且其在 ABA、PEG 滲透和乾旱脅迫後表達量顯著上升。亞細胞定位實驗顯示 PdNF-YB21 主要分布於細胞核中。並且 GFP 螢光報告實驗表明，乾旱脅迫和 ABA 處理可以誘導 pdNF-YB21 的表達。

圖片說明：PdNF-YB21 在不同組織以及不同處理條件下的 RT-PCR 檢測結果

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圖片說明：PdNF-YB21 的亞細胞定位結果

2. PdNF-YB21 調控根的生長和結構

為了研究 PdNF-YB21 在乾旱脅迫響應中的作用，分別構建了 PdNF-YB21 過表達和缺失突變體。結果表明，過表達 PdNF-YB21 能夠促根的生長、木質部的高度木質化、以及導管直徑增大，提高了根部的導水率（RHC），從而增強抗旱性。相反，缺失突變體 pdnf-yb21 材料根部生長明顯減弱，抗旱水平也明顯降低。

圖片說明：PdNF-YB21 對根的影響

3. PdNF-YB21 與 PdFUS3 互作

為了研究 PdNF-YB21 在乾旱脅迫響應中的作用機制，通過酵母雙雜交實驗進行了互作蛋白的篩選，結果顯示 PdFUS3 與 PdNF-YB21 存在相互作用，並且通過 pull-down、BiFC 實驗證實兩者之間存在著直接的結合。RT-PCR 顯示 PdFUS3 在根中高表達、在 PdNF-YB21 過表達突變體中表達量上升。

圖片說明：a) b) RT-PCR 檢測 FUS3 的表達量；c) 酵母文庫篩選與 PdNF-YB21 互作的蛋白；d) e) GST pull-down 和 BiFC 驗證 PdNF-YB21 與 PdFUS3 的結合

4. PdFUS3 激活 PdNCED3 的表達

FUS3 是一個轉錄因子，可以正向調控擬南芥種子中 ABA 的生物合成，並且通過 SnRK1 磷酸化受到 ABA 信號的調控。利用 GFP 螢光報告實驗表明，轉錄因子 PdFUS3 可以識別 PdNCED3基因（它是 ABA 合成關鍵基因）的啟動子區域。在瞬轉了 PdFUS3 毛果楊根組織中，PdNCED3 表達量也顯著上升。

乾旱條件下，PdFUS3 表達量在 PdNF-YB21 過表達突變體中顯著上升，但在缺失突變體中上升不明顯，表明 PdFUS3 受到 PdNF-YB21 的誘導。乾旱條件下，PdNCED3 表達量也上升，並且瞬轉實驗表明 PdNCED3 的表達量改變依賴於 PdFUS3 + PdNF-YB21。

在 PdNF-YB21 過表達突變體中，PdNCED3 表達量和 ABA 水平顯著上升，特別是在乾旱條件下；而缺失突變體中趨勢與之相反。

圖片說明：a) ABA 濃度測定；b) – f) RT-PCR 檢測 PdFUS3、NCED3 及生長素轉運基因PIN2/3/4 的表達量

5. PdNF-YB21 通過 ABA 介導的生長素轉運促進根生長

為了研究 PdNF-YB21 和 ABA 在根生長調控中的作用，分別利用 ABA 和氟啶酮（ABA 合成抑制劑）進行處理。在 PdNF-YB21 過表達突變體中根伸長率受到 ABA 的顯著影響，而在缺失突變體中相對影響較小；相反，PdNF-YB21 過表達突變體中根伸長率受到氟啶酮的影響較小，而缺失突變體則相對更為敏感。在 PdNF-YB21 過表達突變體中，根中 ABA 濃度較高，並且根的一系列表型也發生了改變。

已有研究表明 ABA 可與 IAA 一起通過 PIN2、AUX1 調節根的生長，PIN2/3/4 與根尖的生長素轉運有關。RT-PCR 顯示，在供水充分的條件下，PIN2/3/4 表達量在 PdNF-YB21 過表達突變體中顯著升高、在缺失突變體中顯著下降。

以上結果表明，PdNF-YB21 可能通過 ABA 信號和生長素轉運介導調控了根的生長與結構。

圖片說明：ABA 和氟啶酮處理下根的響應

研究結論

本研究鑑別了一個新的轉錄因子 PdNF-YB21，它可以與 PdFUS3 相互作用，共同激活PdNCED3 的表達，引起 ABA 信號傳導和生長素在根中的轉運，特別是在乾旱脅迫下。在楊樹中過量表達 PdNF-YB21 會促進根的生長、改變根的結構，木質部導管增大、木質素累積增加，提高根部的導水率，進而提高了抗旱能力。PdNF-YB21 有望作為乾旱/非乾旱條件下改良楊樹和其他物種木材質量與產量的靶標之一。

參考文獻

Zhou Y, Zhang Y, Wang X, et al. C Root‐specific NF‐Y family transcription factor, PdNF‐YB21, positively regulates root growth and drought resistance by abscisic acid‐mediated indoylacetic acid transport in Populus. New Phytol 2020; 227(2): 407-426.