禾本科作物是人類糧食的主要來源，包括水稻、小麥、玉米和大麥等。自約一萬年前作物馴化以來，由于起源地和原生境環(huán)境不同，作物的耐鹽性已呈現顯著差異。禾本科作物中，大麥耐鹽性最強，小麥次之，而水稻最敏感。研究表明，維持K/Na離子平衡是植物耐鹽性的關鍵生理基礎，高親和性鉀離子轉運蛋白家族成員HKT1;5在維持地上部Na低積累和K/Na離子平衡發(fā)揮關鍵作用，是耐鹽改良的關鍵靶標。前期研究發(fā)現，大麥HKT1;5負責Na離子由根部向地上部轉運和積累，負向調控耐鹽性；這一發(fā)現與小麥、水稻等作物HKT1;5的功能相反。對于耐鹽性強的大麥，如何調控這樣一個“負向”基因？

近日，湖南農業(yè)大學/岳麓山實驗室吳德志團隊在國際著名學術期刊

PNAS

該團隊前期通過小RNA測序，鑒定到鹽脅迫條件下miR164d在大麥根中顯著上調，推測其在耐鹽調控上發(fā)揮重要作用。該研究首先利用Northern Blot雜交和熒光定量PCR證實miR164d能快速響應鹽脅迫而上調表達，大麥中過表達該小RNA，轉基因植株全生育期耐鹽性均顯著增強。對過表達株系和敲除突變體的離子含量分析表明，miR164d參與調控Na離子由根部向地上部轉運這一生理途徑以實現耐鹽性增強（圖1）。

圖1. miR164d增強大麥耐鹽性

結合降解組測序、RLM-5′RACE和雙熒光素酶報告系統等技術，發(fā)現miR164d靶向剪切轉錄因子HvNAC92。構建HvNAC92過表達和基因敲除材料，生理表征發(fā)現HvNAC92介導Na離子從根部向地上部轉運，負向調控耐鹽性。原位PCR分析表明HvNAC92主要在根部木質部薄壁組織中表達，佐證其調控Na離子由根部向地上部轉運的分子功能。隨后利用DAP-seq和突變體RNA-seq聯合分析發(fā)現HvNAC92能增強HvHKT1;5的表達，通過雙熒光素酶報告系統、酵母單雜、EMSA以及tsCUT&Tag等實驗證實HvNAC92能夠結合HvHKT1;5啟動子的兩個關鍵元件，從而激活其表達（圖2）。

圖2. HvNAC92結合HvHKT1;5啟動子激活其表達

隨后通過基因編輯敲除HvHKT1;5，發(fā)現突變植株中地上部Na離子轉運率和積累量顯著降低，實現耐鹽性增強，這與HvNAC92基因敲除材料的結果一致。將miR164d，HvNAC92和HvHKT1;5的轉基因材料在鹽土中種植進行全生育期耐鹽性評價，與苗期結果一致。最后明確了“分子剎車”miR164d精準調控大麥耐鹽性的作用模式：miR164d通過靶向剪切HvNAC92，抑制后者對HvHKT1;5的轉錄激活，從而降低了Na離子由根部向地上部的轉運和實現耐鹽性增強（圖3）。該研究成果為闡明禾本科作物HKT1;5功能分化及耐鹽改良提供重要參考。

圖3. miR164d-HvNAC92-HvHKT1;5模塊精準調控大麥耐鹽性

湖南農業(yè)大學/岳麓山實驗室青年教師鄺劉輝博士為第一作者，吳德志教授為通訊作者。阿德萊德大學陳仲華教授、浙江大學張國平教授、沈秋芳副研究員等合作者參與了該研究工作；浙江大學董杰教授課題組提供了技術支持。該研究得到國家自然科學基金項目、湖南省科技創(chuàng)新計劃項目、國家耐鹽堿水稻技術創(chuàng)新中心聯合攻關項目和岳麓山實驗室聯合引進人才項目等資助。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2514555122