本網(wǎng)訊 近日，園藝學(xué)院朱曉彪教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖植物學(xué)期刊《The Plant Cell》在線(xiàn)發(fā)表題為“Molecular dissection of an intronic enhancer governing cold-induced expression of the vacuolar invertase gene in potato”的研究論文。該研究揭開(kāi)了馬鈴薯液泡轉(zhuǎn)化酶基因VInv受低溫誘導(dǎo)高度上調(diào)表達(dá)未解之謎，為研究植物逆境應(yīng)答相關(guān)基因的調(diào)控和適應(yīng)提供了一個(gè)很好的模型系統(tǒng)。
馬鈴薯塊莖含水量較高，通常放入低溫下貯藏，以減少發(fā)芽和病害帶來(lái)的嚴(yán)重?fù)p失。然而，低溫貯藏時(shí)VInv基因編碼的液泡轉(zhuǎn)化酶VINV能將蔗糖水解成還原糖，引起“低溫糖化”（cold-induced sweetening, CIS），進(jìn)而導(dǎo)致馬鈴薯油炸產(chǎn)品中潛在致癌物質(zhì)——丙烯酰胺含量的顯著增加，嚴(yán)重威脅到人類(lèi)健康。CIS現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)迄今已有100多年，一直困擾著馬鈴薯油炸加工產(chǎn)業(yè)。課題組在前期研究中發(fā)現(xiàn)，VInv基因在馬鈴薯CIS過(guò)程中起至關(guān)重要的作用，有趣的是，VInv基因在常溫塊莖中的表達(dá)量始終維持在一個(gè)很低的水平，但在低溫塊莖中顯著上調(diào)表達(dá)。已有研究發(fā)現(xiàn)VInv基因的啟動(dòng)子在低溫塊莖中對(duì)低溫不響應(yīng)，但VInv基因受低溫誘導(dǎo)高度上調(diào)表達(dá)的分子機(jī)制仍不清楚。
課題組從先前構(gòu)建的馬鈴薯全基因組超敏感位點(diǎn)DHS（DNase I hypersensitive sites）圖譜（Zeng et al., Genome Biol, 2019）中檢測(cè)到一個(gè)位于VInv基因第二個(gè)大內(nèi)含子、長(zhǎng)度為475 bp的DHS位點(diǎn)（圖2A），推測(cè)該DHS位點(diǎn)可作為增強(qiáng)子調(diào)控VInv基因的表達(dá)。將二倍體馬鈴薯RH中VInv基因的第二個(gè)大內(nèi)含子構(gòu)建到增強(qiáng)子檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其在低溫塊莖中具有增強(qiáng)子的功能（圖2B）。
為了快速挖掘其中的增強(qiáng)子，通過(guò)擬南芥異位功能分析，發(fā)現(xiàn)RH中VInv基因的第二個(gè)大內(nèi)含子的增強(qiáng)子功能信號(hào)主要集中在擬南芥的地上莖和葉柄（圖3B），接著對(duì)整個(gè)內(nèi)含子進(jìn)行截短剖析（圖3A, 3C,3D），發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)200 bp的核心DNA片段（#21）所具有的增強(qiáng)子功能信號(hào)與整個(gè)內(nèi)含子非常接近（圖3E），其低溫誘導(dǎo)型增強(qiáng)子的功能在CIS敏感型馬鈴薯Katahdin（四倍體）塊莖中得到進(jìn)一步驗(yàn)證（圖3F）。
由于增強(qiáng)子對(duì)基因的表達(dá)調(diào)控不受方向、時(shí)空和距離的限制，有時(shí)增強(qiáng)子能跨染色體行使調(diào)控功能，那么該低溫誘導(dǎo)型增強(qiáng)子VInvIn2En是否對(duì)液泡轉(zhuǎn)化酶基因自身起調(diào)控作用呢？為了揭開(kāi)這個(gè)謎底，我們進(jìn)一步利用兩套CRISPR/Cas9介導(dǎo)的多位點(diǎn)基因組編輯系統(tǒng)分別在二倍體和四倍體馬鈴薯中創(chuàng)造VInvIn2En缺失系（圖4）。與野生型對(duì)照相比，VInvIn2En缺失系低溫塊莖中VInv基因的表達(dá)量均顯著下降，且油炸薯片顏色也明顯變淺（圖4）。這一結(jié)果有力地證實(shí)了該增強(qiáng)子VInvIn2En對(duì)液泡轉(zhuǎn)化酶基因自身起調(diào)控作用。
進(jìn)化分析表明，VInvIn2En增強(qiáng)子序列在近緣茄屬物種（包括番茄和其它非塊莖類(lèi)物種）中高度保守，推測(cè)其在塊莖類(lèi)茄屬物種中面對(duì)冷脅迫進(jìn)化出新的功能角色。對(duì)VInvIn2En增強(qiáng)子進(jìn)行DNA基序分析和酵母試驗(yàn)，結(jié)果表明該增強(qiáng)子與轉(zhuǎn)錄因子StNF-YC1和StNF-YC9均存在互作（圖5），為后續(xù)研究VInvIn2En增強(qiáng)子是如何與相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子共同行使調(diào)控功能奠定基礎(chǔ)。
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一完成單位。園藝學(xué)院朱曉彪教授為論文第一作者和通訊作者，園藝學(xué)院在讀博士生陳愛(ài)茹、美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校Dr. Nathaniel M. Butler為共同第一作者，美國(guó)密歇根州立大學(xué)Prof. Jiming Jiang為共同通訊作者。四川師范大學(xué)曾子賢教授、美國(guó)密歇根州立大學(xué)博士后辛昊陽(yáng)、園藝學(xué)院青年教師呂釗彥和在讀博士生王麗霞等也參與了此項(xiàng)工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31771857）、安徽省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（1808085MC65）、安徽省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選資助獎(jiǎng)補(bǔ)項(xiàng)目（2021H276）、安徽省蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專(zhuān)家項(xiàng)目（22532002）、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)高層次人才科研資助計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)的資助。（文圖/何仁婷 編輯/李建超 預(yù)審/趙冠艷 審核/夏曉昀）
原文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae050/7609602
