水黄皮是一种重要的豆科水黄皮属的盐生植物，其种子含油量高，产量高，是具有巨大开发潜力的能源作物。在我国，水黄皮主要分布在东南部沿海地区的潮间带及山林外沿，对高盐和干旱等非生物胁迫具有优良的耐受性。水黄皮是一种典型的半红树植物，区别于真红树植物，水黄皮缺乏盐腺等特化的泌盐生理结构，天然分布于滨海盐渍环境和内陆低盐地区。因此，水黄皮的抗逆基因可能更具开发价值，可以为作物育种提供重要的遗传资源。但是，由于其遗传背景复杂，遗传转化技术不成熟等原因，关于水黄皮对非生物胁迫的耐受性的分子机制及其抗逆基因资源的应用有待挖掘。
NAC转录因子是一种植物特有的转录因子，参与植物生长发育和对非生物胁迫的响应过程。近日，中国科学院华南植物园邓书林团队在Plant Physiology and Biochemistry在线发表了MpNAC1, a transcription factor from the mangrove associate Millettia pinnata, confers salt and drought stress tolerance in transgenic Arabidopsis and rice的研究论文。该研究通过转录组数据分析鉴定到一个受盐胁迫诱导高表达的MpNAC1基因，异源表达该基因可以增强拟南芥和水稻对非生物胁迫的耐受性，并发现了异源表达MpNAC1基因可以增强胁迫相关基因的表达。此外，RNA-seq数据掲示了MpNAC1可以调控茉莉酸（jasmonic acid, JA）信号通路、脱落酸（Abscisic acid, ABA）信号通路、黄酮类物质代谢途径等来赋予植物对非生物胁迫的耐受性。最后，作者将异源表达该基因的水稻在大田种植后，分析发现异源表达MpNAC1在正常生长条件下并不影响水稻的株高、穗长、分蘖数、粒宽、粒长、百粒重等产量指标，但显著提高了转基因水稻的耐盐及抗旱能力。该研究为半红树植物水黄皮对非生物胁迫耐受性的机制研究提供了理论基础，为耐旱耐盐作物育种提供了一个十分具有应用价值的基因。
该研究首先分析了MpNAC1与拟南芥NAC蛋白的进化关系，发现其被聚类到3组，与AtNAC19、AtNAC55、AtNAC72/RD26具有较高的亲缘关系（图1-A）。MpNAC1在水黄皮的根组织和叶组织中受盐胁迫后高表达（图1-B）。此外，MpNAC1定位于细胞核且具有转录激活活性（图1-C）。
图1 MpNAC1的鉴定
RNA-seq数据进一步揭示了MpNAC1可以显著激活水稻中的JA信号通路、ABA信号通路、黄酮类物质代谢途径等，从而赋予植物对干旱胁迫和高盐胁迫的耐受性（图2-A）。最后，大田实验发现异源表达MpNAC1在正常生长条件下并不会影响水稻的主要产量指标，表明MpNAC1在作物育种中具有极高的应用价值（图2-B）。以上研究不仅我们有助于进一步了解半红树植物水黄皮对干旱胁迫和高盐胁迫的耐受机制；同时，也为MpNAC1在耐旱耐盐作物育种中的应用奠定了理论基础。
图2 异源表达MpNAC1水稻的RNA-seq和大田表型结果
中国科学院华南植物园2021级博士研究生杨恒和陈焕镛副研究员张艺为该论文的共同第一作者；邓书林研究员为本论文的通讯作者；简曙光研究员、吕善武助理研究员、2021级博士刘玉娟也参与了该研究。该研究得到国家重点研发计划和广州市科技计划等项目的资助。
课题组简介：
中国科学院华南植物园植物与微生物互作研究组，组长是邓书林研究员。本课题组主要从事植物与微生物互作及特色经济植物的遗传改良和应用方向的相关研究。目前，在水黄皮非生物胁迫耐受性的分子机制的方向取得一定进展，克隆并分析了多个水黄皮关键胁迫耐受性基因，如MpNAC1 (Plant Physiol Biochem, 2024)，MpSOS3 (Plant Mol Biol, 2024), MpAITR1 (J Plant Physiol, 2023),MpZFP1 (Int J Mol Sci, 2021), MpCML40 (Int J Mol Sci, 2021)，为水黄皮的非生物胁迫响应和调控网络的挖掘提供了重要依据，并为水稻等作物育种提供了重要的遗传资源。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2024.108721
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