近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/湖北洪山實(shí)驗(yàn)室郭文武教授團(tuán)隊(duì)在New Phytologist期刊發(fā)表了題為“Polyploidization Leads to Salt Stress Resilience via Ethylene Signaling in Citrus Plants”的研究論文。該研究以遺傳背景相同但倍性不同的枳、紅橘和香橙等柑橘砧木為材料，揭示了染色體倍性變化對根系發(fā)育及鹽脅迫應(yīng)答的影響。研究發(fā)現(xiàn)，基因組加倍通過染色質(zhì)重塑增強(qiáng)乙烯信號途徑，顯著提高了柑橘砧木鹽脅迫抗性，為應(yīng)對鹽堿地挑戰(zhàn)提供了新思路。
該團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的柑橘珠心胚（孢子體無融合生殖）自然加倍四倍體發(fā)掘、單胚性四倍體原位誘導(dǎo)等高效技術(shù)，發(fā)掘出70余個柑橘不同種類和基因型的四倍體資源，基本涵蓋了我國柑橘主要有核品種和砧木類型，為柑橘無核優(yōu)質(zhì)廣適的三倍體新品種創(chuàng)制、多抗矮化省力的四倍體砧木培育及相關(guān)重要性狀形成機(jī)理研究提供了寶貴的種質(zhì)材料。在前期大量表型考察與鑒定基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)初步證明柑橘屬和枳屬基因組加倍后，表現(xiàn)出較強(qiáng)的鹽脅迫耐性。四倍體柑橘砧木在鹽脅迫條件下，其根系表現(xiàn)出更強(qiáng)的功能性，包括更低的Na+含量和過氧化氫（H2O2）水平，表明其對鹽分敏感性較低。多倍體植物盡管具備適應(yīng)性優(yōu)勢，能應(yīng)對各種環(huán)境壓力，但基因組加倍如何通過影響基因表達(dá)賦予植物抗逆性，這一機(jī)制仍有待深入研究。
多倍體化（基因組加倍）在開花植物進(jìn)化中發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)了植物適應(yīng)性、遺傳多樣性和生存能力，同時在作物改良中也具有重要價(jià)值。根系作為植物感知和響應(yīng)環(huán)境變化的首要部位，在植物脅迫響應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。在鹽脅迫等環(huán)境壓力下，植物通過調(diào)整根系結(jié)構(gòu)提高其生存競爭力。盡管已有研究表明多倍體化能改變植物形態(tài)和生理特性，但其對根系在鹽脅迫下的適應(yīng)性及其機(jī)理的具體影響仍不明晰。
通過對柑橘四倍體及其二倍體全面表型分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基因組加倍能顯著增強(qiáng)鹽脅迫適應(yīng)能力。表觀組和轉(zhuǎn)錄組分析顯示，在 ACO1 基因低甲基化和染色質(zhì)可及性增強(qiáng)的驅(qū)動下，四倍體植株根部乙烯產(chǎn)量增加。乙烯產(chǎn)量增加激活了活性氧（ROS）清除基因和脅迫相關(guān)激素生物合成基因轉(zhuǎn)錄。因此，四倍體植株在鹽脅迫下表現(xiàn)出卓越的根系功能，維持了更好的細(xì)胞膜 K+/Na+平衡。為驗(yàn)證ACO1基因在耐鹽機(jī)制中的作用，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了ACO1過表達(dá)和敲除植株，表明ACO1過表達(dá)植株在鹽脅迫下表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐受性，而ACO1敲除植株對鹽脅迫表現(xiàn)出較弱的適應(yīng)能力，進(jìn)一步驗(yàn)證了ACO1在鹽脅迫耐性中的核心作用。
該研究首次揭示了基因組加倍在柑橘抗逆中的分子機(jī)理，同時明確了染色質(zhì)開放性在調(diào)節(jié)乙烯相關(guān)基因及激活鹽脅迫抗性通路中的關(guān)鍵作用，為植物適應(yīng)性和基因組進(jìn)化提供了新見解。研究結(jié)果為柑橘等經(jīng)濟(jì)作物耐鹽育種和四倍體抗逆砧木用于生產(chǎn)實(shí)踐奠定了理論基礎(chǔ)；同時通過提升ACO1基因表達(dá)，未來有望培育出更多適應(yīng)鹽堿地環(huán)境的柑橘新種質(zhì)和新品種?；谠撗芯?，該團(tuán)隊(duì)還提出在開花植物歷史進(jìn)化過程中，多倍體化可能通過重塑根系形態(tài)和生理狀態(tài)，如形成緊湊型根系和增強(qiáng)抗氧化能力，使植物在特定環(huán)境下具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，從而解釋了絕大多數(shù)開花植物在進(jìn)化過程中經(jīng)歷過多次多倍體化事件。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)已畢業(yè)博士宋鑫（現(xiàn)湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院助理研究員）、已畢業(yè)博士張苗（現(xiàn)巴黎薩克雷大學(xué)博士后）為該論文共同第一作者，郭文武教授和課題組已畢業(yè)博士譚豐全（現(xiàn)巴黎薩克雷大學(xué)博士后）為共同通訊作者；我校張飛教授、伍小萌教授、解凱東副教授和巴黎薩克雷大學(xué)Adnane Boualem, Abdelhafid Bendahmane教授等參與了研究工作。美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校講席教授陳增建教授和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)宋慶鑫教授在研究過程中參與指導(dǎo)；我校Robert M. Larkin教授和巴黎薩克雷大學(xué)Olivier Martin教授對本文曾進(jìn)行審閱。該研究依托我校果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺，受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（柑橘）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1111/nph.20428
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