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[转载]EMBO J | 朱健康/黄三文合作团队发现番茄驯化导致耐盐性降低的分子遗传机制

已有 245 次阅读 2020-4-2 10:46 |个人分类:热点研究|系统分类:论文交流|关键词:学者|文章来源:转载

淡水资源的过度利用导致耕地盐碱化加重,严重影响作物的生长和产量。现代农业通过提高作物的耐盐性来保证高产、高效的农业生产,从而解决人口增加带来的粮食匮乏问题【1】。番茄是全球广受欢迎的蔬菜,在农业经济和粮食生产中占据重要地位【2】。野生番茄起源于南美洲中部安第斯地区,能够在较高盐胁迫环境下完成生长周期,长期的人工驯化过程中,人类更关注的是果实的大小和产量,而非其风味、耐盐等性状,从而导致番茄栽培品种对盐胁迫的耐受性降低 【3】。在保证产量的情况下,利用现代分子生物学技术提高栽培番茄的耐盐性,首先需要了解番茄耐盐性的分子机制,而野生番茄是揭示耐盐机理和挖掘耐盐基因的重要种质资源。


2020年3月5日,中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究员团队中国农业科学院深圳基因组研究所黄三文研究员团队在Wiley合作学协会期刊The EMBO Journal 合作发表了题为Loss of salt tolerance during tomato domestication conferred by variation in a Na+/K+ transporter 的研究论文。该研究发现,番茄驯化过程中番茄耐盐性降低主要是由钠钾离子转运体编码基因SlHAK20中的自然变异导致的。

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该研究中,研究人员测定了36个醋栗番茄品种,118个樱桃番茄品种和215个大果番茄品种的根系和地上部分的钠、钾离子含量,发现根系中钠钾离子比在三个类群中依次显著升高,根系内钠钾离子比与其抗盐性负相关,但与番茄果实重量呈正相关。这表明,驯化过程中番茄耐盐性降低很可能与果实大小选择的驯化相关,即选择果实大小的过程中与根系钠钾离子比增加相关的基因同时受到选择,导致番茄抗盐性降低。


通过对根系中钠钾离子比的全基因组关联分析发现,位于四号染色体的最强关联信号中包括HAK/KUP/KT钾离子转运体家族clade IV的成员【4,5】,SlHAK20,其编码区起始密码子下游48个碱基位置上的自然变异位点indel48(6个碱基对的插入/删除)与番茄根中钠钾比高度关联,与栽培种普遍存在的等位基因 (SlHAK20Hap2) 相比较,6个碱基对插入变异 (SlHAK20Hap1)主要存在于野生番茄中,利于其较强的耐盐性。对该变异导致的SlHAK20功能差异分析发现,SlHAK20具有钾、钠离子转运活性,而且SlHAK20Hap1对钠离子的亲和性显著高于SlHAK20Hap2


进一步的遗传和离子含量分析表明,敲除野生或栽培品种中的SlHAK20都会造成番茄对盐的敏感性增加,而在栽培品种中过表达SlHAK20Hap1可以显著提高番茄的耐盐能力,暗示番茄对盐胁迫的响应是通过SlHAK20从木质部装卸钠离子来调节番茄中钠钾离子平衡实现的。该研究还发现,同时敲除水稻中SlHAK20的两个同源基因OsHAK4OsHAK17也会加剧水稻对盐胁迫的敏感性,表明SlHAK20同源基因在单、双子叶植物盐胁迫应答反应中具有功能保守性。


综上所述,该研究首次揭示了番茄驯化过程中耐盐性状丢失的分子遗传机制,并为番茄和其它作物耐盐性的遗传改良提供了理论支持和重要的基因资源。

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图 1:番茄的果实大小选择驯化伴随着其耐盐性降低可能是根系中钠钾离子比升高导致的,与根系钠钾离子比关联的钠钾离子转运体编码基因SlHAK20中一个受驯化的变异位点介导栽培番茄耐盐性的降低。

 

中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究员和中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究员为该论文的共同通讯作者。中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康实验室的王镇博士,洪烨淳博士研究生和云南师范大学马铃薯科学研究院的祝光涛教授为论文的并列第一作者。Texas Tech University的施华中副教授参与了该研究。该研究由中国科学院B类先导专项经费支持。


参考文献:

(1) Zhu JK (2016) Abiotic Stress Signaling and Responses in Plants. Cell 167: 313-324

(2) Tieman D, Zhu GT, Resende MFR, Lin T, Taylor M, Zhang B, Ikeda H, Liu ZY, Fisher J, Zemach I, Monforte A, Zamir D, Granell A, Kirst M, Huang S, Klee H (2017) A chemical genetic roadmap to improved tomato flavor. Science 355: 391-394

(3) Zhu GT, Wang SC, Huang ZJ, Zhang SB, Liao QG, Zhang CZ, Lin T, Qin M, Peng M, Yang CK, Cao X, Han X, Wang XX, van der Knaap E, Zhang ZH, Cui X, Klee H, Fernie AR, Luo J, Huang SW (2018) Rewiring of the Fruit Metabolome in Tomato Breeding. Cell 172: 249

(4) Benito B, Garciadeblas B, Rodriguez-Navarro A (2012) HAK Transporters from Physcomitrella patens and Yarrowia lipolytica Mediate Sodium Uptake. Plant Cell Physiol 53: 1117-1123

(5) Takahashi R, Nishio T, Ichizen N, Takano T (2007) High-affinity K+ transporter PhaHAK5 is expressed only in salt-sensitive reed plants and shows Na+ permeability under NaCl stress. Plant Cell Rep 26: 1673-1679


点击链接了解文章更多信息:https://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.2019103256 



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