近日，南京农业大学园艺学院汪良驹教授团队在国际综合性TOP期刊Journal of Advanced Research（Q1，IF:11.4）上发表了题为“5-Aminolevulinic acid improves strawberry salt tolerance through a NO–H2O2signaling circuit regulated by FaWRKY70 and FaWRKY40”的研究论文，揭示了两个新的转录因子FaWRKY70和FaWRKY40各自转录调控NO和H2O2之间复杂传导关系，以及进一步调控Na+的外排、区隔化分布以及木质部截留的效应，为ALA在植物耐盐栽培上应用提供了理论依据，为耐盐植物育种提供了基因资源。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jare.2024.12.031
1.研究背景：
盐胁迫严重抑制植物生长发育。全球盐渍土覆盖面积超过8.33亿公顷，占地球陆地表面积8.7%。中国近1亿公顷的土地属于盐渍土。预计到2050年，超过50%的可耕地将受到土壤盐分影响。草莓（Fragaria×ananassaDuch.）是一种浅根系作物，对盐分非常敏感。研究提高草莓耐盐性方法并探索其潜在的转录调控机制具有重要科学价值和现实意义。前文提出，5-氨基乙酰丙酸（ALA）能够诱导盐胁迫下草莓根系信号物质一氧化氮（NO）和过氧化氢（H2O2）积累，后者诱导钠离子（Na+）截留于根系，从而减少向上运输，减少叶片积累，达到增强植物耐盐性的目的。然而，其中的转录调控机制未被揭晓。
2.研究内容：
该研究发现，信号分子NO和H2O2介导ALA诱导草莓耐盐性提高过程不是原先报道的简单的上下游关系，而是呈环状，起到交互调控作用（图1）。ALA可以诱导FaNR1和FaRbohD转录，促进根系NO和H2O2积累。然后，NO上调FaHKT1基因表达，将Na+离子截留在木质部薄壁细胞中，降低汁液中Na+含量；而H2O2上调FaSOS1和FaNHX1基因表达，它们分别将Na+排到细胞外以降低植物体内Na+，或区隔化至液泡中，既减少离子毒害，又作为无机渗透溶质，起到渗透调节作用。
图1 NO和H2O2交互调节，介导ALA诱导的草莓耐盐性
利用转录组数据，作者挖掘一个WRKY类转录因子FaWRKY40。该基因在盐胁迫下表达受到ALA诱导。将FaWRKY40在大叶烟草（Nicotiana tabacum）和森林草莓（Fragaria vesca）中过表达（图2），则植株耐盐性显著增强；若干扰表达，则森林草莓耐盐性显著降低；若用ALA处理，则进一步增强转基因草莓耐盐性。分析显示，FaWRKY40通过结合并激活FaRbohD、FaSOS1和FaNHX1启动子活性参与调节根系中H2O2产生、Na+外排和液泡区隔的调节。
图2FaWRKY40促进森林草莓耐盐性提高
作者还找到一个负调控因子FaWRKY70，该基因表达被盐胁迫诱导。作为转录因子，FaWRKY70能结合并抑制FaWRKY40、FaNR1和FaHKT1启动子活性（图3），消除根系NO积累和Na+截留效应。过表达FaWRKY70将降低森林草莓耐盐性，而在ALA处理后得到显著缓解。
图3 FaWRKY70结合并抑制FaNR1和FaHKT1启动子活性
基于上述结果，作者提出ALA诱导草莓根系信号通路转录调控以及耐盐性提高的机制模型（图4）。当草莓单纯受到盐胁迫时，根系FaWRKY70表达上调；后者直接与FaNR1、FaHKT1和FaWRKY40的启动子结合，下调它们的表达。NO信号减弱，由FaWRKY40调节的离子截留机制被抑制，根系吸收的Na+运往地上部，离子毒害引起叶片生理紊乱。如果预先用外源ALA处理，则FaWRYK70表达受抑，FaWRKY40、FaNR1和FaHKT1表达活性上升。然后，FaNR1导致NO生成，上调FaHKT1表达，木质部汁液中Na+被截留在薄壁细胞。FaWRKY40上调后，可以激活FaRbohD、FaSOS1和FaNHX1启动子，激活它们转录和基因表达。该模型包括转录调控、信号分子以及Na+外排、液泡区隔化分布和木质部汁液再分布。它可以顺畅解释ALA改善草莓耐盐性过程。
图4 ALA提高草莓耐盐性工作模型
３.作者及团队介绍：
论文第一作者为南京农业大学在读博士生杨豪，南京农业大学汪良驹教授和仲岩副教授为通讯作者。
汪良驹教授是江苏省植物生理学会理事，主要从事植物生长物质与生长发育调控研究。他于2000年开始研究ALA，是国内最早研究ALA在作物抗逆增产提质效应及其生物学基础研究的学者。其团队先后获得20多项政府专项资金资助，国家授权专利20余项。本论文是团队成员相续在Molecular Horticulture、Horticulture Research、Horticultural Plant Journal等著名国际学术期刊发表一系列学术论文中最新的一篇。他所从事的“5-ALA抗逆提质增效理论创建与应用”成果获得2024年中国商业联合会技术发明一等奖，江苏省园艺学会第一届科技创新二等奖。
４.资助资金：
该项目获得国家自然科学基金（32172512，32230097）、江苏省碳调峰与碳中和前沿基础研究专项基金（BK20220005）、江苏省农业科技自主创新基金[CX(20)2023]和江苏省高校优势学科发展等项目的资助。
（编辑：杨豪、张建婷 校对：赵忠鸽 审核：陶书田）
