编译：夕夕，编辑：十九、江舜尧。
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导读
大豆是重要的油脂和蛋白质资源作物，其种植受到土壤盐碱度增加的影响。拟南芥中的基因ELF3可以通过抑制盐胁迫反应途径提高植物耐盐性。在大豆中基因J是AtELF3的通源基因，基因J等位基因功能缺失能显著延长大豆的成熟期，提高籽粒产量。然而，基因J在大豆非生物胁迫反应中的确切功能仍不是十分清楚。在本研究中，作者发现对大豆进行盐处理会诱导基因J的表达，J蛋白位于细胞核内。与NIL-J相比，NIL-J突变体对盐的耐受性明显降低。作者同意证明过表达基因J可明显提高大豆的耐盐性。基因J正向调控下游盐胁迫基因的表达，包括GmWRKY12 , GmWRKY27 , GmWRKY54 , GmNAC和GmSIN1。本研究揭示了大豆对盐胁迫反应的调控机制。这些基因的调控将有助于提高大豆的耐盐性。
原名：The Soybean Gene J Contributes to Salt Stress Tolerance by Up-Regulating Salt-Responsive Genes
译名：大豆基因J通过上调盐胁迫应答基因促进耐盐性
期刊：frontiers in plant science
IF: 4.106
发表时间：2020.3
通讯作者：刘宝辉
通讯作者单位：中国科学院东北地理与农业生态研究所大豆分子设计育种重点实验室种子设计创新研究院
DOI号：https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00272
1. 基因J表达水平和蛋白定位
作者之前的研究表明，基因J是调控拟南芥开花的基因AtELF3的通源基因。基因J通过直接抑制E1的表达来促进大豆开花。为研究基因J是否参与了大豆对盐胁迫的反应。作者首先研究了在NaCl处理2周的大豆幼苗中基因J的表达水平。结果表明，在NaCl胁迫下,基因J的表达量显著升高并在胁迫12h时达到峰值（图1A）。作者接着研究了大豆不同组织中基因J的表达模式。在大豆的各个组织中，子叶中基因J呈高表达，但在叶和根中呈中度表达（图1B）。作者 进一步确定了基因J的亚细胞定位。结果表明，基因J位于细胞核内说明基因J是一种核蛋白，会通过NaCl处理诱导表达（图1C）。
由于NaCl胁迫下会诱导基因J的表达，作者推断基因J可能在大豆耐盐性中起作用。为了确定其潜在功能，作者研究了携带功能性J等位基因（NIL-J）和非功能性J等位基因（NIL-j）的近等基因系（NILs）对NaCl的敏感性。研究表明，NIL-J幼苗严重萎缩，几乎99%的叶片均严重脱水（图2A）。尽管NIL-J大豆幼苗的老叶枯萎，但新叶仍然旺盛生长（图2A）。测定NaCl处理下大豆幼苗的限重，结果表明NIL-J的鲜重比NIL-j的鲜重高很多（图2B）。接着，作者测定了MDA和Pro的含量，结果表明，与NIL-j相比，NIL-J大豆幼苗中Pro含量增加（图2C），然而MDA的含量有所降低。这些结果表明，NaCl胁迫对NIL-J的影响较小。为进一步评估基因J是否是耐盐基因，构建了基因J过表达构建体（pTF101-J），并将其转到NIL-j的大豆毛状根部。通过qRT-PCR验证了其转基因的表达。在没有NaCl处理的情况下，用基因J或绿色荧光蛋白转化的两种大豆中都能产生健康的毛状根（图3A）。然而，进行NaCl处理后，基因J转化后的大豆根部鲜重更高（图3B）。这以结果支持了基因J可以减轻NaCl胁迫这一想法。
图3
为鉴定可能与基因J介导的降低盐胁迫的有关基因，作者对NIL-J和NIL-j的大豆幼苗进行转录组测序分析。共鉴定到2567个差异表达基因，其中452个上调表达基因和2115个下调表达基因（图4A）。下调表达基因的GO功能显著富集在胁迫反应，刺激代谢产物生物合成，有机离子转运和信号转导（图4B）。
目前已有研究证明了一些转录因子家族，例如WRKY , NAC , MYB和bHLH蛋白会响应大豆对NaCl的胁迫。本研究中发现，64个WRKY家族基因，16个NAC家族基因，10个MYB家族基因和5个bHLH家族基因在NIL-j中显著下调表达（图4C,D）。为近一步探究基因J对NaCl胁迫的相关基因的影响，最终确定了64个WRKY家族基因中的24个和16个NAC家族基因中的2个对大豆盐胁迫做出反应。通过对盐胁迫12天的NIL-J和NIL-j大豆幼苗进行转录组分析，发现NIL-J系中GmWRKY12 , GmWRKY27 , GmWRKY54 , GmNAC11和GmSIN1的表达量较高。为验证这些基因的差异表达，同时检测NaCl胁迫下的表达情况，作者对NIL-J，NIL-j，和基因J过表达大豆的毛状根部进行qRT-PCR。上述这些基因在NIL-J（图5A）和基因J过表达（图5B）大豆中均上调表达。这些数据表明，基因J的表达在一定程度上调节了GmWRKY12 , GmWRKY27 , GmWRKY54 , GmNAC11和GmSIN1的表达，可以提高大豆对NaCl的耐受性。
图5
研究植物耐盐网络的关键组成部分是培育耐盐大豆品种的关键。虽然已经发现了一些大豆的耐盐基因，但其作用机制还知之甚少。本研究主要以基因J作为候选基因来研究其潜在的分子作用机制。基因J是拟南芥中AtELF3的通源基因。最近的研究表明，AtELF3增强了拟南芥对NaCl胁迫的恢复能力，并在抑制NaCl胁迫下活性氧生成发挥关键作用。与这一研究结果一致，作者证明基因J提高了大豆植株对NaCl的耐受性。可以表明，ELF3通源基因在其他作物中对NaCl胁迫响应中可能具有类似的功能。有研究结果显示WRKY转录因子家族在大豆响应NaCl胁迫时起到重要作用。其64个GmWRKY基因涉及到NaCl胁迫。Yu等人鉴定了188个大豆WRKY家族的基因，其中有66个基因对NaCl胁迫反应迅速。在最新版本的大豆基因组中GmWRKY家族的3个基因在NaCl胁迫下上调表达。本研究中，基因J上调表达了64个WRKY家族基因和16个NAC家族基因。基于转录组和生物信息学分析，作者共发现24个WRKY家族基因和2个NAC家族基因可能参与NaCl对大豆的胁迫。最近的一项研究表明，AtELF3间接结合AtPIF4启动子，抑制AtPIF4的表达。AtPIF4直接下调JUB1/ANAC042的转录，编码的转录因子上调耐NaCl基因的表达。因此，作者推测基因J可能间接调节GmWRKY和GmNAC基因的转录，而GmWRKY和GmNAC基因正调控大豆的NaCl胁迫响应途径。总体而言，本研究结果表明，在NaCl胁迫下大豆中的基因J被激活，基因J可以积极调节大豆中盐响应基因的表达。基因J可能在高NaCl水平下的植物存活中发挥作用，并且可能为今后的遗传育种提供作用。
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