近日，New Phytologist在線發(fā)表了浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院周杰課題組題為“A single nucleotide polymorphism in WRKY33 promoter is associated with the cold sensitivity in cultivated tomato”的研究論文。文章報(bào)道了栽培番茄轉(zhuǎn)錄因子WRKY33啟動(dòng)子中關(guān)鍵W-box發(fā)生核苷酸變異，導(dǎo)致低溫脅迫下WRKY33無法實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)錄調(diào)控和蛋白積累，從而無法激活下游冷相關(guān)信號(hào)通路，一定程度上導(dǎo)致栽培番茄的冷敏感性。該研究揭示了轉(zhuǎn)錄因子WRKY33參與調(diào)控番茄耐冷性的分子機(jī)制并闡明了順式調(diào)控元件的核苷酸多態(tài)性與作物進(jìn)化過程中抗逆性差異息息相關(guān)。
除了基因功能影響作物抗性外，基因表達(dá)也是作物性狀形成的基本分子機(jī)制。近年來，隨著各種植物基因組測(cè)序的開展，越來越多的全基因組關(guān)聯(lián)研究 (GWAS) 表明，非編碼區(qū)順式調(diào)控區(qū)域變異引起的基因表達(dá)變化也是導(dǎo)致作物進(jìn)化和馴化過程中抗逆性差異的重要原因。順式調(diào)控區(qū)域的自然變異通常通過改變基因表達(dá)影響作物表型。然而，啟動(dòng)子變異如何影響基因表達(dá)以及作物抗逆性的機(jī)制仍然知之甚少。因此，本研究以課題組近年來對(duì)野生多毛番茄的重測(cè)序及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等研究工作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步解析了基因順式調(diào)控區(qū)的核苷酸多態(tài)性對(duì)栽培和野生番茄植株的不同冷敏感性的影響等重要問題。
本研究通過對(duì)栽培番茄及其野生近緣種的RNA-Seq數(shù)據(jù)分析和RT-qPCR驗(yàn)證，揭示了WRKY33在冷敏感的栽培番茄(Solanum lycopersicum L. cv Ailsa Craig, AC)中低溫下表達(dá)幾乎沒有變化，而在耐寒的野生多毛番茄(Solanum habrochaites LA1777)和潘那利番茄(Solanum pennellii LA0716)中被低溫顯著誘導(dǎo)表達(dá)。過表達(dá)SlWRKY33或ShWRKY33均可增強(qiáng)栽培番茄的抗冷性。進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控實(shí)驗(yàn)及構(gòu)建6種不同啟動(dòng)子和基因組合的轉(zhuǎn)基因番茄植株發(fā)現(xiàn)，栽培番茄SlWRKY33啟動(dòng)子中關(guān)鍵W-box發(fā)生單核苷酸變異導(dǎo)致低溫脅迫下其自我轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能喪失。此外，研究人員對(duì)272栽培番茄及其野生近緣種進(jìn)行了該關(guān)鍵W-box的核苷酸多態(tài)性分析。他們發(fā)現(xiàn)，所有的栽培番茄、櫻桃番茄和醋栗番茄都存在這一關(guān)鍵W-box的核苷酸序列變異，而包括多毛番茄、潘那利番茄和智利番茄在內(nèi)的野生近緣種保留了該關(guān)鍵的W-box。因此，推測(cè)該關(guān)鍵W-box的核苷酸變異發(fā)生在醋栗番茄的進(jìn)化過程中，并在櫻桃番茄和栽培番茄中保留。
結(jié)合RNA-seq和ChIP-seq數(shù)據(jù)分析表明，SlWRKY33直接靶向并誘導(dǎo)多種激酶、轉(zhuǎn)錄因子和分子伴侶基因，如CDPK11、MYBS3和BAG6，從而增強(qiáng)番茄植株抗冷性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)熱脅迫和灰霉菌侵染誘導(dǎo)栽培番茄WRKY33的表達(dá)與該W-box變異無關(guān)。
綜上所述，該研究為闡明轉(zhuǎn)錄因子WRKY33參與調(diào)控番茄耐冷性的分子機(jī)制和耐冷番茄的改良提供了的理論依據(jù)和新的基因位點(diǎn)資源。同時(shí)，該研究闡明了基因順式調(diào)控區(qū)域的核苷酸多態(tài)性是作物進(jìn)化過程中基因轉(zhuǎn)錄差異的重要原因，為解析轉(zhuǎn)錄修飾與表型多樣性之間的復(fù)雜關(guān)系提供了基礎(chǔ)。
浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院碩士研究生郭明月為本文第一作者，周杰教授為通訊作者，論文撰寫和修改過程中得到喻景權(quán)院士、盧鋼教授和塞浦路斯理工大學(xué)Vasileios Fotopoulos教授的幫助和支持。研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
