近日，華中農(nóng)業(yè)大學果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室/湖北洪山實驗室郭文武教授團隊在New Phytologist期刊發(fā)表了題為“Polyploidization Leads to Salt Stress Resilience via Ethylene Signaling in Citrus Plants”的研究論文。該研究以遺傳背景相同但倍性不同的枳、紅橘和香橙等柑橘砧木為材料，揭示了染色體倍性變化對根系發(fā)育及鹽脅迫應答的影響。研究發(fā)現(xiàn)，基因組加倍通過染色質(zhì)重塑增強乙烯信號途徑，顯著提高了柑橘砧木鹽脅迫抗性，為應對鹽堿地挑戰(zhàn)提供了新思路。
該團隊基于自主研發(fā)的柑橘珠心胚（孢子體無融合生殖）自然加倍四倍體發(fā)掘、單胚性四倍體原位誘導等高效技術(shù)，發(fā)掘出70余個柑橘不同種類和基因型的四倍體資源，基本涵蓋了我國柑橘主要有核品種和砧木類型，為柑橘無核優(yōu)質(zhì)廣適的三倍體新品種創(chuàng)制、多抗矮化省力的四倍體砧木培育及相關(guān)重要性狀形成機理研究提供了寶貴的種質(zhì)材料。在前期大量表型考察與鑒定基礎上，團隊初步證明柑橘屬和枳屬基因組加倍后，表現(xiàn)出較強的鹽脅迫耐性。四倍體柑橘砧木在鹽脅迫條件下，其根系表現(xiàn)出更強的功能性，包括更低的Na+含量和過氧化氫（H2O2）水平，表明其對鹽分敏感性較低。多倍體植物盡管具備適應性優(yōu)勢，能應對各種環(huán)境壓力，但基因組加倍如何通過影響基因表達賦予植物抗逆性，這一機制仍有待深入研究。
多倍體化（基因組加倍）在開花植物進化中發(fā)揮了重要作用，促進了植物適應性、遺傳多樣性和生存能力，同時在作物改良中也具有重要價值。根系作為植物感知和響應環(huán)境變化的首要部位，在植物脅迫響應中起著關(guān)鍵作用。在鹽脅迫等環(huán)境壓力下，植物通過調(diào)整根系結(jié)構(gòu)提高其生存競爭力。盡管已有研究表明多倍體化能改變植物形態(tài)和生理特性，但其對根系在鹽脅迫下的適應性及其機理的具體影響仍不明晰。
通過對柑橘四倍體及其二倍體全面表型分析，團隊發(fā)現(xiàn)基因組加倍能顯著增強鹽脅迫適應能力。表觀組和轉(zhuǎn)錄組分析顯示，在 ACO1 基因低甲基化和染色質(zhì)可及性增強的驅(qū)動下，四倍體植株根部乙烯產(chǎn)量增加。乙烯產(chǎn)量增加激活了活性氧（ROS）清除基因和脅迫相關(guān)激素生物合成基因轉(zhuǎn)錄。因此，四倍體植株在鹽脅迫下表現(xiàn)出卓越的根系功能，維持了更好的細胞膜 K+/Na+平衡。為驗證ACO1基因在耐鹽機制中的作用，團隊創(chuàng)制了ACO1過表達和敲除植株，表明ACO1過表達植株在鹽脅迫下表現(xiàn)出更強的耐受性，而ACO1敲除植株對鹽脅迫表現(xiàn)出較弱的適應能力，進一步驗證了ACO1在鹽脅迫耐性中的核心作用。
該研究首次揭示了基因組加倍在柑橘抗逆中的分子機理，同時明確了染色質(zhì)開放性在調(diào)節(jié)乙烯相關(guān)基因及激活鹽脅迫抗性通路中的關(guān)鍵作用，為植物適應性和基因組進化提供了新見解。研究結(jié)果為柑橘等經(jīng)濟作物耐鹽育種和四倍體抗逆砧木用于生產(chǎn)實踐奠定了理論基礎；同時通過提升ACO1基因表達，未來有望培育出更多適應鹽堿地環(huán)境的柑橘新種質(zhì)和新品種?；谠撗芯?，該團隊還提出在開花植物歷史進化過程中，多倍體化可能通過重塑根系形態(tài)和生理狀態(tài)，如形成緊湊型根系和增強抗氧化能力，使植物在特定環(huán)境下具有更強的適應性，從而解釋了絕大多數(shù)開花植物在進化過程中經(jīng)歷過多次多倍體化事件。
華中農(nóng)業(yè)大學已畢業(yè)博士宋鑫（現(xiàn)湖北省農(nóng)業(yè)科學院助理研究員）、已畢業(yè)博士張苗（現(xiàn)巴黎薩克雷大學博士后）為該論文共同第一作者，郭文武教授和課題組已畢業(yè)博士譚豐全（現(xiàn)巴黎薩克雷大學博士后）為共同通訊作者；我校張飛教授、伍小萌教授、解凱東副教授和巴黎薩克雷大學Adnane Boualem, Abdelhafid Bendahmane教授等參與了研究工作。美國德克薩斯大學奧斯汀分校講席教授陳增建教授和南京農(nóng)業(yè)大學宋慶鑫教授在研究過程中參與指導；我校Robert M. Larkin教授和巴黎薩克雷大學Olivier Martin教授對本文曾進行審閱。該研究依托我校果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室平臺，受到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金、湖北洪山實驗室項目和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（柑橘）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1111/nph.20428
