禾本科作物是人类粮食的主要来源，包括水稻、小麦、玉米和大麦等。自约一万年前作物驯化以来，由于起源地和原生境环境不同，作物的耐盐性已呈现显著差异。禾本科作物中，大麦耐盐性最强，小麦次之，而水稻最敏感。研究表明，维持K/Na离子平衡是植物耐盐性的关键生理基础，高亲和性钾离子转运蛋白家族成员HKT1;5在维持地上部Na低积累和K/Na离子平衡发挥关键作用，是耐盐改良的关键靶标。前期研究发现，大麦HKT1;5负责Na离子由根部向地上部转运和积累，负向调控耐盐性；这一发现与小麦、水稻等作物HKT1;5的功能相反。对于耐盐性强的大麦，如何调控这样一个“负向”基因？
近日，湖南农业大学/岳麓山实验室吴德志团队在国际著名学术期刊PNAS在线发表题为MicroRNA164d suppresses the HvNAC92-HvHKT1;5 module to enhance salinity tolerance in barley的研究论文。该研究揭示了miR164d作为一个“分子刹车”精准调控HvNAC92-HvHKT1;5模块，实现耐盐作物大麦在盐胁迫下的“自救”模式，为阐明禾本科作物HKT1;5功能分化提供重要理论参考。
该团队前期通过小RNA测序，鉴定到盐胁迫条件下miR164d在大麦根中显著上调，推测其在耐盐调控上发挥重要作用。该研究首先利用Northern Blot杂交和荧光定量PCR证实miR164d能快速响应盐胁迫而上调表达，大麦中过表达该小RNA，转基因植株全生育期耐盐性均显著增强。对过表达株系和敲除突变体的离子含量分析表明，miR164d参与调控Na离子由根部向地上部转运这一生理途径以实现耐盐性增强（图1）。
图1. miR164d增强大麦耐盐性
结合降解组测序、RLM-5′RACE和双荧光素酶报告系统等技术，发现miR164d靶向剪切转录因子HvNAC92。构建HvNAC92过表达和基因敲除材料，生理表征发现HvNAC92介导Na离子从根部向地上部转运，负向调控耐盐性。原位PCR分析表明HvNAC92主要在根部木质部薄壁组织中表达，佐证其调控Na离子由根部向地上部转运的分子功能。随后利用DAP-seq和突变体RNA-seq联合分析发现HvNAC92能增强HvHKT1;5的表达，通过双荧光素酶报告系统、酵母单杂、EMSA以及tsCUT&Tag等实验证实HvNAC92能够结合HvHKT1;5启动子的两个关键元件，从而激活其表达（图2）。
图2. HvNAC92结合HvHKT1;5启动子激活其表达
随后通过基因编辑敲除HvHKT1;5，发现突变植株中地上部Na离子转运率和积累量显著降低，实现耐盐性增强，这与HvNAC92基因敲除材料的结果一致。将miR164d，HvNAC92和HvHKT1;5的转基因材料在盐土中种植进行全生育期耐盐性评价，与苗期结果一致。最后明确了“分子刹车”miR164d精准调控大麦耐盐性的作用模式：miR164d通过靶向剪切HvNAC92，抑制后者对HvHKT1;5的转录激活，从而降低了Na离子由根部向地上部的转运和实现耐盐性增强（图3）。该研究成果为阐明禾本科作物HKT1;5功能分化及耐盐改良提供重要参考。
图3. miR164d-HvNAC92-HvHKT1;5模块精准调控大麦耐盐性
湖南农业大学/岳麓山实验室青年教师邝刘辉博士为第一作者，吴德志教授为通讯作者。阿德莱德大学陈仲华教授、浙江大学张国平教授、沈秋芳副研究员等合作者参与了该研究工作；浙江大学董杰教授课题组提供了技术支持。该研究得到国家自然科学基金项目、湖南省科技创新计划项目、国家耐盐碱水稻技术创新中心联合攻关项目和岳麓山实验室联合引进人才项目等资助。
论文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2514555122
