《Plant Physiology》刊发我校汪松虎和刘永胜团队发现猕猴桃多倍体育种新机制

本网讯 多倍体育种是作物育种过程中常用的方法之一，染色体加倍后通常表现出生物量增加（产量提高）且抗逆性增强的表型，但其背后的分子机制目前还不太清楚。近日，安徽农业大学园艺学院汪松虎教授和刘永胜教授团队合作在国际著名的植物学期刊Plant Physiology上发表了题为“Chromosome doubling increases PECTIN METHYLESTERASE 2 expression, biomass, and osmotic stress tolerance in kiwifruit “的研究论文，揭示了猕猴桃染色体加倍导致生物量增加且抗逆性增强的分子机制。

图1 四倍体猕猴桃生物量和抗逆性增加

团队前期利用秋水仙素处理将二倍体中华猕猴桃‘红阳（Hongyong, HY）’培育成四倍体，四倍体HY表型出叶片增大，生物量增加的表型，本研究发现四倍体HY还表现出对渗透胁迫的抗性增强（图1）。转录组研究发现猕猴桃果胶去甲酯酶基因AcPME2在四倍体中表达量显著提高，我们通过在拟南芥、番茄和猕猴桃中过量表达AcPME2，证实该基因的过表达不仅可以提高植株的生物量（其中转基因番茄的果实也增大），而且增强其对渗透胁迫的抗性。对拟南芥和猕猴桃的深入研究发现，在正常情况下，AcPME2基因过表达导致细胞壁果胶的甲酯化水平降低，诱导细胞壁松弛（Cell wall loosening）和软化，从而增加单个细胞的尺寸（Cell size），进而导致植株生物量的增加（图2）；在渗透胁迫的条件下，AcPME2的去甲酯化活性进一步增强，过表达植株细胞壁果胶的甲酯化水平进一步降低，但由于渗透胁迫条件下钙离子（Ca²⁺）在细胞壁中积累，去甲酯的果胶可以与Ca²⁺结合形成聚合体，增加细胞壁的硬度。细胞壁硬度的增加表现为根部细胞质壁分离（plasmolysis）的加快，并减少渗透胁迫导致的细胞壁塌陷（Cell wall collapse）。AcPME2过表达植株根部细胞的细胞壁硬度增加，导致细胞壁不能随着原生质体在渗透胁迫条件下发生机械形变（内陷），从而增加细胞壁与原生质体之间的机械拉力，加速质壁分离的发生，且这种增强的机械拉力能更快地被根部细胞感知，从而诱导胁迫应答基因更快更高地表达。增强的细胞壁硬度即可以减少渗透胁迫对植株细胞的物理性伤害，同时又能诱导更早的胁迫应答基因的表达，从而提高了植株对渗透胁迫的抗性（图2）。

图2 AcPME2调控生物量和渗透胁迫抗性的分子机制示意图

本研究发现AcPME2介导的果胶去甲酯化可以动态调控细胞壁的硬度，即在正常生长条件下降低细胞壁的硬度，促进细胞扩张从而导致生物量增加；但在渗透胁迫条件下，与Ca²⁺结合增加细胞壁的硬度，提高植株对胁迫的抗性（图2）。这种动态调控细胞壁硬度的机制可以为同时提高作物产量和抗逆性的遗传改良提供新的思路，AcPME2基因在作物育种过程中具有巨大的应用潜力。

安徽农业大学园艺学院博士后朱妍妍博士为论文的第一作者，刘永胜教授和汪松虎教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金区域联合基金项目（U23A20204）和面上项目（32472703）等经费资助。（图文/汪松虎 编辑/何仁婷 初审/朱晓彪 审核/夏晓昀）

论文链接：

https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiae475/7754102

标签：猕猴桃  细胞壁  生物量