【Front Plant Sci.】来自南瓜的CmRCC1基因通过调节根系结构和光合活性赋予转基因烟草耐寒性

文章信息

题目：CmRCC1 Gene From Pumpkin Confers Cold Tolerance in Tobacco by Modulating Root Architecture and Photosynthetic Activity

刊名：Frontiers in Plant Science

作者：Fei Cheng et al.

单位：Huazhong Agricultural University

Published online 2021 Dec 3.‍

摘要

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低温胁迫是瓜类作物栽培的主要限制因素，严重影响作物产量和品质。鉴定耐寒性的基因是南瓜砧木育种的一个重要方面。在这里，我们检查了南瓜染色体凝聚调节因子 1 ( CmRCC1 ) 基因在烟草 ( Nicotiana benthamiana ) 根系发育和冷应激反应中的功能。冷胁迫下南瓜根、茎和叶中CmRCC1表达差异显着。瞬时转化表明CmRCC1位于细胞核中。CmRCC1烟草中的过度表达增加了侧根的重力设定点角度，以及根直径和体积。在CmRCC1过表达的植物中，生长素极性转运因子PIN1和PIN3的表达分别减少和增加。酵母双杂交验证和荧光素酶互补成像结果表明CmRCC1与CmLAZY1相互作用。此外，与野生型植物相比，低温条件下转基因植物中PS II的最大量子产率、PS II的有效量子产率和电子转移速率的降低以及丙二醛含量的降低。结果表明CmRCC1在调节根结构和正向调节耐寒性中起重要作用。

技术路线

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主要结果

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3.1 CmRCC1基因的鉴定和表征

预测CmRCC1基因 (CmaCh15G006130) 包含从 4,143bp的cDNA 中分离的 3,360bp CDS，并编码 1,119 个氨基酸的蛋白质。由 CmRCC1 与先前鉴定的拟南芥RCC1 比对构建的系统发育树揭示了序列之间的进化距离（图 1A）。在这些序列中，CmRCC1与AtRLD1和AtRLD4的序列具有高度相似性。

由CaMV35S启动子驱动的 pCAMBIA1305.4-N-GFP 载体中的 GFP-CmRCC1 融合构建体和 GFP 对照在烟草表皮细胞中瞬时表达，并在激光扫描共聚焦显微镜下观察以确定 CmRCC1 的亚细胞定位。DAPI染色证实在细胞核中检测到GFP-CmRCC1融合蛋白的GFP荧光信号（图 1B）。

3.2 CmRCC1表达对冷胁迫的时空响应

检测了冷处理24h后不同时间点根、茎和叶中CmRCC1表达的变化，以评估CmRCC1对南瓜冷胁迫的响应特征。CmRCC1在茎叶中的转录水平随着冷胁迫处理的延长而缓慢增加，处理24h后分别达到对照（0h）的2.13和3.15倍。而南瓜根中CmRCC1的表达水平在 3h 时达到峰值，然后在冷处理 24h 时达到 4.57 倍（图 2）。这些结果表明CmRCC1可能参与了南瓜根对早期冷胁迫的反应。

3.3 CmRCC1 参与根结构的控制和PIN基因表达的调节

CmRCC1在CaMV35S启动子控制下在烟草中过表达，以分析CmRCC1在根发育中的作用。通过RT-PCR证实了CmRCC1盒在28个独立的卡那霉素抗性转化体中的插入。随后选择三个转化系(OxCmRCC1-1/-3/-6)，显示CmRCC1基因以3:1的孟德尔分离比分离，以获得T2纯合系。CmRCC1的qRT-PCR分析三个独立系中的转录本揭示了不同水平的转基因表达（图 3A）。与野生型相比，所有过表达的转基因品系在侧根中均表现出增加的向地设定点角（GSA）（图 3B）。此外，CmRCC1过表达增加了转基因烟草的根直径和体积，但不增加根长(图 3C）。

3.4 CmRCC1过表达转基因烟草的耐寒性增加

T2转基因株系和野生型的幼苗在 4°C 下暴露于低温胁迫 12 小时，以检查CmRCC1过表达在烟草耐冷性中的可能作用。观察到野生型叶片完全收缩，低温胁迫处理后植株倒伏，而转基因烟草植株仍然直立，叶片扁平，轻度萎蔫。(图 6A）。然后测量了野生型和转基因系中低温胁迫和非胁迫植物第三片叶子中 PS II 的叶绿素荧光。与对照相比，低温胁迫后野生型的Fv/Fm 和Φ PSII分别下降了 28.6% 和 56.7%。然而，在 CmRCC1 过表达的细胞系中， F v/ F m 和Φ PSII分别降低了 11.1-14.7 和 6.7-15.3%，以响应低温胁迫（图 6BC）。高ΦNO值表明光化学能量转换和保护性调节机制效率低下。因此，这表明植物已经受到损害或将在进一步照射时受到光损害。在这里，研究者发现野生型植物在低温胁迫后ΦNO增加了 36.6%，而CmRCC1过表达损害了低温胁迫植物中Φ NO的增加。（图 6D）。相比之下，Φ NPQ在野生型和CmRCC1转基因品系中的低温胁迫和非胁迫植物之间没有显着差异，这表明低温胁迫下光保护能力没有受到影响（图 6E）。在低温胁迫的野生型植物中，光饱和 ETR 降低了 55.0%。同样，ETR的降低在CmRCC1过表达的细胞系中受到影响（图 6F）。此外，与对照相比，野生型植物在低温胁迫12小时后观察到MDA含量增加（62.5%）。然而，在对照和低温胁迫的转基因品系之间没有观察到MDA含量的显着差异（图 6G）。因此，我们得出结论，CmRCC1过表达增加了转基因烟草的耐寒性。

总结

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可以得出结论，CmRCC1过表达可以通过维持冷胁迫下的光合活性来增强冷耐受性。根系可塑性作用的功能性证据将支持育种者努力将根系特性纳入其未来的冷胁迫耐受性选择体系考量中，以提高作物产量和质量。

获取原文

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原文链接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2021.765302/full

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