PBJ | 南京农大邢邯课题组发现大豆抗逆“双保险”!GmeIF2B5-GmPRX4调控轴揭示抗旱耐盐新机制

1. 基因编辑gmeif2b5提高对干旱胁迫的耐受性

通过CRISPR-Cas9技术获得了gmeif2b5突变体(图1A)，在大豆发芽期和苗期进行抗旱性鉴定。结果表明，与WT相比，gmeif2b5突变体在干旱胁迫下表现出更强的抗旱性。在 300 mM 甘露醇条件下，芽期下胚轴和根长显著高于WT株系(图1B-C)；gmeif2b5突变体苗期的萎蔫程度更轻，SPAD值更高，膜损伤程度和ROS积累水平更低(图1D-G)。此外，抗氧化酶(POD、CAT、SOD)的活性也显著增强(图1H-J)。而GmeIF2B5过表达株系均表现出相反的趋势(图S4)。这些结果表明，GmeIF2B5通过抑制ROS解毒网络，在负调控大豆抗旱性中发挥重要作用。

2. RNA-Seq表明GmeIF2B5参与抑制木质素生物合成，并暗示其在盐分反应中起作用

为了进一步探究GmeIF2B5在干旱响应中的作用机制，研究团队对gmeif2b5突变体和野生型（WT）的大豆幼苗进行了RNA-seq分析。结果表明，突变体和 WT 之间存在明显的转录组差异。KEGG 通路分析显示，上调的差异基因主要富集在苯丙烷类生物合成通路中，而下调的差异基因主要富集在木质素的分解代谢 (图2A-B)。这表明GmeIF2B5可能通过调节木质素生物合成来调控干旱胁迫响应。此外，盐胁迫响应基因在gmeif2b5突变体中表达上调 (图S8)，表明GmeIF2B5可能调节盐胁迫适应。

3. 基因编辑gmeif2b5提高大豆的耐盐性

为了明确GmeIF2B5在耐盐性中的作用，对其编辑株系和WT在发芽期和苗期进行耐盐性鉴定。结果显示，gmeif2b5株系表现出更强的耐盐性。在 150 mM NaCl 条件下，与WT相比，gmeif2b5下胚轴和根更长 (图3A-B)；在苗期，面对相同盐胁迫，与 WT 相比，gmeif2b5 株系的叶片萎蔫程度降低，电解质渗漏减少，活性氧 (ROS) 积累也减少 (图3C-E)。更重要的是，gmeif2b5植株中ROS清除酶 (POD、SOD、CAT) 的活性显著升高(图3F-H)。这些结果表明，GmeIF2B5通过增强ROS解毒作用来负调控耐盐性。

4. GmeIF2B5与GmPRX4 相互作用

为了阐明GmeIF2B5介导胁迫调控的分子机制，研究团队通过Y2H筛选发现GmeIF2B5与植物血红素过氧化物酶GmPRX4相互作用 (图4A)。进一步的BiFC、LCI和Co-IP实验证实了GmeIF2B5与GmPRX4之间的物理相互作用 (图4B-D)。这表明GmeIF2B5和GmPRX4可能通过相互作用来协调胁迫适应。

5. 过表达GmPRX4可提高大豆的耐旱和耐盐性

为了研究GmPRX4的功能，利用原核表达系统表达了该蛋白，确定了GmPRX4的硫氧还蛋白过氧化物酶活性(图5A-C)。同时构建了两个独立的GmPRX4过表达转基因株系(图S11A)。结果表明，与WT相比，GmPRX4过表达株系在干旱胁迫和盐胁迫下都表现出更强的耐受性，具体表现为下胚轴和根的伸长（图5D），GmPRX4过表达株系的膜损伤程度低于WT（图5I），ROS积累更少（图5G-H），及关键抗氧化酶抗氧化酶的活性也显著增强（图5J；S11C-E），木质素含量和木质素/茎面积比也显著增加（图5K-M）。这些结果表明，GmPRX4通过增强细胞抗氧化能力赋予大豆耐旱耐盐性，从而有效清除ROS并在不利条件下维持细胞稳态。

6. GmeIF2B5-GmPRX4模块负责协调耐旱和耐盐

为了明确GmeIF2B5和GmPRX4在非生物胁迫响应中的协同作用，研究团队构建了双突变体gmprx4/gmeif2b5(图6A)。结果表明，与WT相比，双突变体在干旱/盐胁迫下表现出更强的耐受性，但耐受性弱于gmeif2b5单突变体(图6B-F)。此外，研究团队利用病毒诱导的基因沉默 (VIGS) 系统沉默了野生型植物中的GmPRX4和GmeIF2B5，结果表明，沉默GmeIF2B5增强了胁迫耐受性，而沉默GmPRX4则降低了胁迫耐受性 (图S12, S13)。这些结果表明，GmeIF2B5在GmeIF2B5-GmPRX4模块中起主导作用。

7. GmeIF2B5差异性调节对干旱和盐分耐受性：木质素介导的抗氧化防御与SOS1依赖的离子稳态

在gmeif2b5突变体中，木质素通路基因 (GmPAL、Gm4CL、GmCCR、GmF3H ) 的转录水平显著升高(图7A)。木质素含量，茎横截面木质素占比在干旱条件下显著高于WT(图7B-D)。但在盐胁迫下，gmeif2b5突变体的木质素含量没有显著差异(图S14)。但在 gmeif2b5 突变体株系中表现出Na+积累减少，Na+/K+比率降低，并且GmSOS1（Na+外排转运蛋白）表达上调(图S15)。这些结果表明GmeIF2B5通过两种不同的机制控制胁迫适应：通过增强木质素-POD抗氧化作用来提高耐旱性，通过SOS1驱动的离子稳态来提高耐盐性。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70507

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