《The Crop Journal》：ZmWRKY122 enhances waterlogging tolerance in maize via direct activation of
ZmPRX101
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為應(yīng)對全球氣候變化導致的極端降雨與洪澇災(zāi)害對玉米生產(chǎn)的威脅，長江大學李巧露、劉偉娟、鄒華文團隊聚焦玉米淹水脅迫響應(yīng)機制，揭示了轉(zhuǎn)錄因子ZmWRKY122通過直接結(jié)合下游過氧化物酶基因ZmPRX101的啟動子，上調(diào)其表達并增強抗氧化防御系統(tǒng)，從而顯著提高玉米淹水耐受性的分子通路。該研究為培育抗?jié)秤衩仔缕贩N提供了關(guān)鍵靶點與理論依據(jù)。
在氣候變化加劇的背景下，極端降雨和洪澇災(zāi)害頻發(fā)，導致農(nóng)田積水（即淹水脅迫）成為制約全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是玉米等主要糧食作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵非生物脅迫因子之一。當土壤被水飽和，根系周圍氧氣急劇減少，會破壞植物的正常呼吸和能量代謝，進而引發(fā)活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的爆發(fā)性積累。過量的ROS會攻擊細胞膜等結(jié)構(gòu)，導致氧化損傷，嚴重時致使植株萎蔫甚至死亡。因此，挖掘植物自身抵御淹水脅迫的關(guān)鍵基因并闡明其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對于通過分子育種手段培育抗?jié)承缕贩N、保障糧食安全具有迫切而重要的意義。
以往研究表明，WRKY家族轉(zhuǎn)錄因子在植物應(yīng)對干旱、鹽堿等多種非生物脅迫中扮演著核心調(diào)控角色，然而其在玉米響應(yīng)淹水脅迫中的具體功能和分子機制尚不清晰。同時，過氧化物酶（Peroxidase, POD）作為清除ROS的關(guān)鍵抗氧化酶，其編碼基因（PRX）在淹水脅迫下的調(diào)控機制也有待探索。為填補這一知識空白，長江大學的研究團隊在《The Crop Journal》上發(fā)表論文，系統(tǒng)解析了一個名為ZmWRKY122的轉(zhuǎn)錄因子如何通過調(diào)控下游靶基因ZmPRX101，來增強玉米的淹水耐受性。
為開展此項研究，作者主要應(yīng)用了以下幾項關(guān)鍵技術(shù)方法：利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)和農(nóng)桿菌介導的遺傳轉(zhuǎn)化，在玉米KN5585自交系背景下構(gòu)建了ZmWRKY122和ZmPRX101的基因敲除突變體及ZmWRKY122過表達株系；通過RNA測序（RNA-seq）和實時熒光定量PCR（qRT-PCR）進行轉(zhuǎn)錄組與基因表達分析；采用酵母單雜交（Yeast one-hybrid, Y1H）、染色質(zhì)免疫共沉淀-定量PCR（Chromatin Immunoprecipitation-qPCR, ChIP-qPCR）和凝膠電泳遷移率實驗（Electrophoretic Mobility Shift Assay, EMSA）驗證蛋白質(zhì)與DNA的直接互作；利用雙熒光素酶報告基因（Dual-luciferase）實驗在煙草葉片中檢測轉(zhuǎn)錄激活活性及對啟動子的調(diào)控作用；并通過測定丙二醛（MDA）含量、電解質(zhì)滲透率、H2O2水平及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）等抗氧化酶活性來評估植株的生理狀態(tài)與氧化損傷程度。
研究結(jié)果
3.1. ZmWRKY122的亞細胞定位與轉(zhuǎn)錄活性
研究人員發(fā)現(xiàn)，ZmWRKY122是一個定位于細胞核的蛋白，并且在植物體內(nèi)（in vivo）具有轉(zhuǎn)錄激活活性，這為其發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能奠定了基礎(chǔ)。
3.2. ZmWRKY122正向調(diào)控玉米的淹水脅迫響應(yīng)
通過創(chuàng)建過表達和敲除ZmWRKY122的轉(zhuǎn)基因玉米材料，并進行為期8天的淹水處理，研究發(fā)現(xiàn)，過表達植株的莖和根鮮重顯著高于野生型（WT），而敲除突變體則表現(xiàn)出更嚴重的萎蔫癥狀和生物量下降，證明ZmWRKY122能正向調(diào)控玉米的淹水耐受性。
3.3. ZmWRKY122通過抗氧化酶減輕淹水誘導的氧化應(yīng)激
生理指標測定顯示，在淹水條件下，ZmWRKY122過表達株系中的MDA含量、電解質(zhì)滲透率和H2O2積累顯著降低，而SOD、CAT、POD、APX等關(guān)鍵抗氧化酶的活性顯著升高；敲除突變體則呈現(xiàn)相反趨勢。這表明ZmWRKY122通過增強抗氧化防御系統(tǒng)來緩解淹水引起的氧化損傷。
3.4. ZmWRKY122在淹水條件下正向調(diào)控ZmPRX101的表達
轉(zhuǎn)錄組分析與qRT-PCR驗證發(fā)現(xiàn)，在ZmWRKY122敲除突變體中，一個編碼過氧化物酶的基因ZmPRX101的表達量顯著下調(diào)，而在過表達株系中其表達上調(diào)。雙熒光素酶報告實驗進一步證實，ZmWRKY122能夠激活ZmPRX101的啟動子活性。
3.5. ZmWRKY122在體內(nèi)和體外直接結(jié)合ZmPRX101啟動子
通過酵母單雜交、EMSA和ChIP-qPCR實驗，研究人員從體外（in vitro）到體內(nèi)（in vivo）多個層面證實，ZmWRKY122能夠特異性結(jié)合到ZmPRX101啟動子區(qū)域包含的W-box順式作用元件上，實現(xiàn)了對其轉(zhuǎn)錄的直接調(diào)控。
3.6. ZmPRX101正向影響玉米對淹水脅迫的響應(yīng)
研究人員構(gòu)建了ZmPRX101的基因敲除突變體。表型分析顯示，突變體在淹水脅迫下萎蔫更嚴重，生物量更低。同時，其根系中MDA含量、電解質(zhì)滲透率和H2O2水平顯著升高，而POD活性顯著降低。這證明ZmPRX101本身對于緩解淹水引起的氧化損傷、增強耐受性至關(guān)重要。
研究結(jié)論與意義
該研究系統(tǒng)闡明了一條由轉(zhuǎn)錄因子ZmWRKY122及其下游靶基因ZmPRX101構(gòu)成的、全新的調(diào)控玉米淹水耐受性的分子模塊。其核心機制在于：淹水脅迫誘導ZmWRKY122表達，該轉(zhuǎn)錄因子進入細胞核后，直接結(jié)合到ZmPRX101基因的啟動子區(qū)，激活其轉(zhuǎn)錄。上調(diào)的ZmPRX101編碼的過氧化物酶（POD）增強了植株的抗氧化酶活性，從而有效清除了淹水脅迫下積累的過量活性氧（ROS），減輕了細胞膜的氧化損傷（表現(xiàn)為MDA和電解質(zhì)泄漏降低），最終顯著提升了玉米植株在淹水環(huán)境中的存活與生長能力。
這項研究的科學意義重大。首先，它首次在玉米中揭示了WRKY轉(zhuǎn)錄因子通過直接調(diào)控PRX基因來應(yīng)對淹水脅迫的完整通路，豐富了植物非生物脅迫響應(yīng)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)理論。其次，研究鑒定出的ZmWRKY122和ZmPRX101均為具有明確抗?jié)彻δ艿年P(guān)鍵基因，為玉米抗逆分子育種提供了寶貴的候選基因資源和直接的操作靶點。通過基因編輯或分子標記輔助選擇等技術(shù)，將有望培育出高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)且抗?jié)承詮姷挠衩仔缕贩N，這對于應(yīng)對全球氣候變化挑戰(zhàn)、保障糧食安全生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用前景。
