Nature Com｜南京农业大学万建民院士团队在水稻耐盐碱研究上取得新进展

昵称37581541 2023-08-12 发布于江苏

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水稻是主要的粮食作物之一且对盐敏感，土壤的盐碱化严重制约了水稻的产量和品质，耐盐是一个由多个基因控制，涉及多种分子和生物学过程的复杂的数量性状。挖掘耐盐水稻种质资源，解析水稻耐盐遗传和分子机制，可为培育耐盐水稻新品种奠定良好理论基础。同时，对最大化地利用盐碱地土壤资源、提高土地利用效率、改善生态环境具有重要意义。

2023年6月16日，万建民院士团队在国际著名期刊Nature Communications发表了题为Genome-wide association studies identify OsWRKY53 as a key regulator of salt tolerance in rice的研究文章。本研究通过对水稻地方品种进行全基因组关联分析，确定了10个与耐盐（Salt tolerance, ST）性状相关的候选基因。进一步鉴定到了两个ST相关新基因，分别编码转录因子OsWRKY53和丝裂原活化蛋白激酶激酶OsMKK10.2。研究发现，OsWRKY53作为负调节因子调节OsMKK10.2的表达，促进根Na+流和Na+稳态此外，OsWRKY53可以抑制OsHKT1;5（根中钠转运蛋白）。研究结果揭示了水稻通过OsWRKY53-OsMKK10.2和OsWRKY53-OsHKT1;5模块协调防御离子胁迫的分子机制。

https:///10.1038/s41467-023-39167-0

本研究通过对水稻苗期耐盐性状进行全基因组关联（Genome-Wide Association Study， GWAS）分析发现了10个与水稻苗期耐盐性状相关的候选基因，其中包括两个未被报道的耐盐新基因：OsWRKY53和OsMKK10.2。

图1、通过GWAS关联收到耐盐的八个性状

在五号染色体，发现一个连锁不平衡区域与盐处理后含水量显著相关，其中只含有一个基因：OsWRKY53。通过转基因敲除（Cr-oswrky53）和过表达（OsWRKY53-OE）材料，发现OsWRKY53为水稻耐盐的负调控因子。进一步通过非损伤微测技术（Non-invasive Micro-test Technology）对敲除和过家系进行根部和木质部钠离子流量的检测，证明OsWRKY53影响钠离子的外排和向地上部分的运输介导水稻耐盐。

图2、耐盐基因OsWRKY53的鉴定

在三号染色体上，发现一个连锁不平衡区域与水稻盐处理存活率显著相关，通过基因注释和单倍型表型分析，初步将OsMKK10.2作为耐盐候选基因。通过敲除家系（Cr-mkk10.2）的表型，发现OsMKK10.2正调控盐胁迫。OsMKK10.2编码一个丝裂原活化激酶激酶。OsMKK10.2HapA为优势单倍型，表现出更强的激酶活性和更高的盐处理存活率。通过非损伤微测技术对敲除家系进行根部钠离子流量的检测,证明OsMKK10.2通过影响钠离子外排影响水稻耐盐。

图3、耐盐基于OsMKK10.2的鉴定

为了研究OsWRKY53在水稻耐盐中的具体生物学机制，利用ChIP-qPCR和双荧光素酶报告系统，发现OsWRKY53会结合OsHKT1;5和OsMKK10.2的启动子区的w-box元件，并抑制它们的表达。截去启动子区的w-box元件后，OsWRKY53对OsHKT1;5和OsMKK10.2的抑制被显著解除，表明w-box 对OsWRKY53结合OsHKT1;5和OsMKK10.2起重要作用。通过酵母双杂交，盐胁迫下的表达模式分析和体外激酶分析，发现OsMKK10.2会磷酸化OsMPK6。通过对MKK10.2敲除家系体内的OsMKP6的磷酸化水平检测，证实OsMKK10.2通过磷酸化OsMPK6影响水稻耐盐。

图4、 OsWRKY53 与OsHKT1;5 在盐胁迫过程中互作关系

图5、 mpk6 (dsg1) 突变体表现出盐敏感表型

OsWRKY53-OsMKK10.2，OsWRKY53- OsHKT1;5两个基因模块协同调控水稻耐盐，揭示了水稻对盐胁迫的敏感性和耐受性机制。同时OsWRKY53在水稻耐盐通路中作为一个调控植物生长和耐盐的关键节点，植物在感受到盐胁迫以后，OsMPK6率先被激活，磷酸化包括OsSOS1在内的下游基因促使水稻耐盐，而OsWRKY53在被OsMPK6磷酸化以后，会通过转录抑制OsMKK10.2，进而抑制OsMPK6的功能，避免水稻对盐胁迫过度反应，维持植物的生长。