MAXI-IMAGING-PAM助力浙大喻景权院士团队揭示番茄耐寒新机制

来源：上海泽泉科技股份有限公司分类：商机 2024-08-08 14:00:11 49阅读次数

基因功能的分化主要由突变、基因复制和基因丢失驱动，对进化过程至关重要，其中顺式调控区域的突变在转录调控的进化创新中起重要作用，但人们对其在作物进化过程中的变化和作用及其调控机制仍知之甚少。染色质重塑在控制转录机制对DNA的可及性方面起关键作用，环境应激可改变染色质结构从而影响转录调控，但环境应激诱导染色质动力学的机制和程度在很大程度上仍是未知的，且染色质动力学与转录反应之间的因果关系需要进一步阐明。SWIB/MDM2结构域蛋白在染色质重塑和基因表达调控中起关键作用，但这些蛋白在植物中尤其是在细胞核中直接结合DNA的能力仍未被探索。不同种的番茄具有不同程度的耐寒性，野生多毛番茄（Solanum habrochaites）被认为是最耐寒的番茄之一。由于生长环境的改变，在自然进化和人类选择过程中，栽培番茄（Solanum lycopersicum）的耐寒性降低。冬春低温对喜温栽培番茄等设施农业作物构成重大威胁，导致其生长减缓、发育受损和产量降低。解析番茄耐寒能力下降的机制，培育耐寒种质和优化栽培管理措施，对于设施农业发展具有重要意义。

2024年8月6日，Nature Communications在线发表了浙江大学喻景权院士团队周杰教授为通讯作者题为Loss of cold tolerance is conferred by absence of the WRKY34 promoter fragment during tomato evolution的研究论文。研究团队对冷敏感的栽培番茄和耐寒的野生多毛番茄进行ATAC-Seq和RNA-Seq分析，发现WRKY34基因与冷胁迫下的染色质可及性和表达模式密切相关。进一步研究发现，WRKY34启动子中的60bp InDel导致了不同番茄品种在转录和耐寒性上的差异，该片段中的GATA顺式调控元件与SWIBs和GATA29结合，协同抑制WRKY34的表达。此外，WRKY34还通过调节转录和蛋白质水平干扰CBF冷响应途径。这些发现表明，顺式调控区域的多态性对作物进化过程中染色质结构和基因表达具有重要影响，进而影响了番茄的耐寒性。

主要研究结果

WRKY34在番茄响应冷胁迫中具有潜在作用：通过对栽培番茄（Ailsa Craig，AC）和野生多毛番茄LA1777进行ATAC-Seq和RNA-Seq分析，发现WRKY34在冷胁迫下的表达和染色质可及性在栽培番茄和野生多毛番茄中存在显著差异，推测其可能在调节番茄耐寒性中发挥潜在作用。

图1 冷胁迫后栽培番茄和野生番茄中ATAC-Seq和RNA-Seq的联合分析结果，以及WRKY34的表达模式和蛋白质积累差异。

WRKY34负向调节番茄的耐寒性：在LA4024、LA3942和LA1777中沉默SlWRKY34和ShWRKY34后，含有ShWRKY34基因的LA3942和LA1777的非沉默（TRV）幼苗比含有SlWRKY34基因的LA4024的TRV幼苗更耐寒，沉默ShWRKY34后仍保持较强的耐寒性，沉默SlWRKY34后LA4024的耐寒性显著增强；过表达SlWRKY34和ShWRKY34会降低幼苗的耐寒性，敲除WRKY34会提高耐寒性，且WRKY34会抑制冷响应基因CBFs和CORs的表达。

图2 栽培番茄和野生番茄中WRKY34等位基因响应冷胁迫的功能鉴定。

WRKY34启动子区域的60bp InDel导致其在冷胁迫下的表达模式不同：通过比较不同番茄种质中WRKY34的蛋白质序列，发现其在冷胁迫下的表达模式差异而非蛋白质功能差异决定了野生番茄和栽培番茄耐寒性的差异；对SlWRKY34和ShWRKY34的启动子进行扩增和测序，发现野生番茄中存在60bp的插入，而栽培番茄中不存在，且该插入与WRKY34在冷胁迫下的表达抑制显著相关。

图3 WRKY34启动子中的60bp插入/缺失（InDel）导致WRKY34在冷应激下的不同表达模式。

SWIBs和GATA29直接结合到WRKY34启动子的60bp InDel片段：通过酵母单杂交（Y1H）筛选，发现GATA家族转录因子SlGATA29和两个SWIB/MDM2结构域蛋白SlSWIBa和SlSWIBb能够结合60bp InDel区域；SlGATA29和SlSWIBa/b通过与该区域结合抑制WRKY34的表达，且SlSWIBs和GATA29能够协同抑制WRKY34的表达。

图4 SlGATA29 和SlSWIBa/b 在冷胁迫下直接与 WRKY34 启动子的60 个碱基对的插入/缺失（InDel）结合并抑制 WRKY34 表达。

图5 SlSWIBa/b 和SlGATA29 协同抑制 WRKY34 表达

SWIB和GATA29通过60bp InDel影响染色质可及性和耐寒性：在LA4024或LA3942背景下构建SlSWIBb过表达株系和slswibab双突变体，发现SWIBs能够增强WRKY34启动子的染色质开放，从而提高番茄的耐寒性；构建SlGATA29过表达株系和slgata29突变体，发现GATA29也能够抑制WRKY34的表达，从而影响番茄的耐寒性；通过CRISPR/Cas9删除LA3942中ShWRKY34启动子的60bp，发现该区域的染色质可及性减弱，WRKY34的表达抑制被消除，且植物对冷胁迫更敏感。

图6 SlSWIBa/b增强了WRKY34启动子的染色质开放以提高番茄的耐寒性，这取决于 60 个碱基对的插入/缺失（InDel）。

WRKY34在转录和蛋白质水平上破坏CBF-COR冷响应途径：SlWRKY34能够与SlCBF1相互作用，干扰其转录功能，从而降低番茄幼苗的耐寒性；WRKY34还能够直接结合CBFs和CORs的启动子，抑制它们的表达。

图7 SlWRKY34 干扰了SlCBF1 的转录活性，从而降低了番茄幼苗的耐寒性。

图8 WRKY34 介导的番茄耐寒性模型

本研究揭示了番茄耐寒性的分子机制，为作物改良提供了理论依据，拓展了对基因调控的认识，强调了基因编辑技术在作物育种中的应用潜力，对指导作物改良和育种具有重要意义。

参考文献

Guo, M., Yang, F., Zhu, L., et al. Loss of cold tolerance is conferred by absence of the WRKY34 promoter fragment during tomato evolution[J]. Nature Communications, 2024, 15, 6667.