DAP-seq技術(shù)在木薯響應(yīng)干旱脅迫分子機制研究中的應(yīng)用
分子機制中的應(yīng)用
木薯（Manihot esculenta Crantz）是一種重要的熱帶作物，是熱帶和亞熱帶干旱地區(qū)的主要糧食作物之一。干旱脅迫嚴(yán)重影響木薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。鑒定木薯中重要的抗旱基因，對于培育抗旱高產(chǎn)木薯新品種具有非常重要的意義。
2022年9月1日，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所功能基因研究組的最新研究成果，在知名學(xué)術(shù)期刊Plant Biotechnology Journal上發(fā)表，文章題目為 “A CC-type glutaredoxin, MeGRXC3, associates with catalases and negatively regulates drought tolerance in cassava (Manihot esculenta Crantz)”。該期刊的影響因子為13.263。該研究使用DNA親和純化測序(DAP-seq) 技術(shù)鑒定了木薯中轉(zhuǎn)錄因子MeTGA2的結(jié)合基序、預(yù)測了其靶點。進一步研究揭示了MeGRXC3調(diào)控過氧化氫酶活性響應(yīng)植物干旱脅迫的分子機制，為利用基因工程策略開發(fā)抗旱高產(chǎn)木薯新品種提供了寶貴的基因資源。
谷氧還蛋白(GRXs)在植物響應(yīng)環(huán)境變化的活性氧(ROS)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。研究人員在木薯中發(fā)現(xiàn)了幾種對干旱敏感的CC型GRXs。然而，CC型GRXs如何調(diào)控干旱脅迫下木薯的ROS穩(wěn)態(tài)尚不清楚。該研究對MeGRXC3基因參與木薯ROS信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和干旱脅迫響應(yīng)的分子機制進行了深入的探究。
該團隊通過目標(biāo)區(qū)間重測序和抗旱指標(biāo)的關(guān)聯(lián)分析，確定了MeGRXC3與干旱脅迫下木薯葉片中的過氧化氫酶活性顯著相關(guān)。通過抗旱表型分析，發(fā)現(xiàn)MeGRXC3負(fù)調(diào)控干旱和脫落酸誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，從而影響轉(zhuǎn)基因木薯的干旱耐受性。進一步分析發(fā)現(xiàn)，MeGRXC3可以拮抗性調(diào)控過氧化氫在木薯葉片表皮細(xì)胞和保衛(wèi)細(xì)胞中的分布。
圖1. MeGRXC3與轉(zhuǎn)錄因子MeTGA2在細(xì)胞核中相互作用
(a) 酵母雙雜交實驗表明MeGRXC3與MeTGA2相互作用。(b) 雙分子熒光互補實驗表明在煙葉中MeGRXC3與MeTGA2可以在體內(nèi)相互作用。(c) 在酵母中MeTGA2具有轉(zhuǎn)錄激活活性。(d) DAP-seq鑒定了木薯MeTGA2結(jié)合的motif。(e) 基于DAP-seq分析，鑒定了木薯中MeTGA2的靶點基因。通過蛋白免疫共沉淀技術(shù)從木薯葉片中篩選到3個可能與MeGRXC3互作的過氧化氫酶蛋白，隨后證實了MeGRXC3可以分別與過氧化氫酶MeCAT1、MeCAT2相互結(jié)合，并調(diào)控其過氧化氫酶活性。此外，研究團隊發(fā)現(xiàn)MeGRXC3可以通過與轉(zhuǎn)錄因子MeTGA2互作來調(diào)控多個脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)，并通過轉(zhuǎn)錄因子MeMYB63調(diào)控過氧化氫酶MeCAT7基因的表達(dá)，從而在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控過氧化氫酶的活性。以上研究揭示了MeGRXC3通過活性氧平衡調(diào)控植物干旱脅迫響應(yīng)的分子機制，同時展現(xiàn)了MeGRXC3基因在提升干旱環(huán)境下木薯塊根產(chǎn)量方面的潛在應(yīng)用價值。
圖2. MeGRXC3調(diào)控過氧化氫酶響應(yīng)干旱脅迫的作用模式
該研究揭示了CC型谷氧還蛋白MeGRXC3在轉(zhuǎn)錄水平及轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控過氧化氫酶的活性，影響過氧化氫在葉片表皮不同類型細(xì)胞中的分布，從而調(diào)控木薯對干旱脅迫的響應(yīng)。該研究結(jié)果有助于理解谷氧還蛋白GRXs通過活性氧平衡調(diào)控木薯干旱脅迫響應(yīng)的復(fù)雜機制，同時為利用MeGRXC3基因培育抗旱高產(chǎn)木薯新品種提供了一種新策略。
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