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甘肃农业大学团队鉴定马铃薯干旱调控因子

  • 2026-10-11 08:55:36
甘肃农业大学团队鉴定马铃薯干旱调控因子

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甘肃农业大学团队鉴定马铃薯干旱调控因子

干旱胁迫是制约全球农业生产与粮食安全的关键非生物逆境因子,通过抑制植株生长发育、破坏细胞膜系统、降低光合作用效率等途径严重影响作物产量与品质。在植物适应干旱的复杂调控网络中,脱落酸(Abscisic Acid, ABA)作为核心抗逆激素,通过诱导气孔关闭、减少蒸腾失水、促进渗透调节物质积累等机制发挥至关重要的作用。ABA信号转导通路主要由PYR/PYL家族受体、A亚家族PP2C蛋白磷酸酶(PP2Cs)、SNF1相关蛋白激酶2(SnRK2s)及下游转录因子构成。在ABA存在下,PYR/PYL受体与PP2C结合并抑制其磷酸酶活性,从而解除对SnRK2s的抑制,激活的SnRK2s进一步磷酸化下游底物(如SLAC1、GHR1等),驱动气孔快速关闭。

WRKY转录因子家族作为植物特有的重要调控因子,其成员通过识别下游靶基因启动子区的W-box顺式作用元件,广泛参与植物激素信号转导与逆境响应。尽管WRKY基因在多种作物中被证实与干旱耐受性相关,但在马铃薯(Solanum tuberosum L.)这一全球重要的粮食作物中,WRKY转录因子如何整合ABA信号通路、特别是如何通过调控气孔运动来系统性增强干旱适应性的分子机制,仍缺乏深入系统的研究。鉴于马铃薯根系较浅、对土壤水分变化极为敏感的生物学特性,解析其WRKY介导的ABA信号转导模块,对于培育抗旱马铃薯新品种具有重要的理论与实践意义。

甘肃农业大学张宁团队通过干旱胁迫下的转录组分析,在马铃薯中鉴定出一个显著响应干旱的WRKY转录因子StWRKY46,其表达受干旱及PEG模拟渗透胁迫诱导,在根组织中呈高表达。通过构建过表达(OE)与RNA干扰(RNAi)转基因株系进行功能验证,发现StWRKY46-OE植株在持续干旱后萎蔫程度显著减轻,复水恢复能力增强,叶绿素含量与相对含水量维持较高水平,离体叶片失水率、MDA含量显著降低,而脯氨酸积累明显增加;相反,RNAi株系则表现出更严重的干旱损伤与膜脂过氧化,部分植株甚至出现叶片形态异常,表明StWRKY46正向调控马铃薯的干旱耐受性。

为解析其分子机制,研究对转基因株系进行RNA-seq分析,发现ABA受体基因StPYL1在StWRKY46-OE株系中显著上调。启动子分析显示StPYL1含有多个W-box元件,进一步的酵母单杂交、双荧光素酶报告基因及凝胶迁移实验共同证实StWRKY46可直接结合StPYL1启动子并激活其转录。外源ABA处理可诱导StWRKY46表达,且OE株系对ABA诱导的气孔关闭更为敏感,表现为气孔开度、气孔导度及蒸腾速率显著下降。研究进一步证实,StPYL1作为ABA信号的正调控因子,其过表达同样能够增强马铃薯耐旱性并促进气孔关闭;分子互作实验表明StPYL1在ABA存在下与PP2C成员(StHAB1、StPP2C24、StPP2C51.1及StABI2)互作,而StABI2进一步与StOST1、StSnRK2.5及StSnRK2.6等SnRK2激酶相互作用。在StPYL1-OE植株中,干旱胁迫下内源ABA含量升高,PP2C基因表达受抑,SnRK2s及气孔运动关键基因StSLAC1、StGHR1显著上调。综上,StWRKY46通过直接激活StPYL1转录,启动ABA-StPYL1-StABI2-StOST1/StSnRK2.5/StSnRK2.6信号级联,进而调控气孔关闭,系统性增强马铃薯的干旱适应能力。

本研究系统阐明了WRKY转录因子StWRKY46在马铃薯干旱响应中的核心调控功能及其分子作用机制。研究揭示了StWRKY46-StPYL1-StABI2-StOST1/StSnRK2.5/StSnRK2.6这一完整的ABA信号转导模块:在干旱胁迫下,StWRKY46作为上游转录激活因子,直接结合并启动ABA受体基因StPYL1的转录;StPYL1通过感知ABA、抑制PP2C活性,解除对SnRK2激酶的抑制,进而通过调控StSLAC1和StGHR1等气孔运动关键基因的表达,促进气孔关闭,减少水分散失,系统性提升马铃薯的干旱耐受性。该研究不仅深化了对WRKY转录因子整合ABA信号通路的理论认知,更为马铃薯抗旱分子育种提供了重要的基因靶点与策略参考。

Plant Physiology., 6 May 2026

StWRKY46 promotes stomatal closure and enhances potato drought tolerance by mediating the PYL1-ABI2-OST1/SnRK2.5/SnRK2.6 pathway

Author

Han Wei, Xiao Wang, Shigui Li, Ning Zhang*, Huaijun Si.

*: State Key Laboratory of Aridland Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou730070, China

Abstract

Drought stress affects crop yield and quality. Abscisic acid (ABA) plays a crucial role in plant responses to drought stress; however, the signal transduction mechanism in potato (Solanum tuberosum L.) remains unclear. This study identifies a WRKY transcription factor (TF) member, StWRKY46, that enhances drought tolerance in potato. Under drought, StWRKY46 binds directly to the promoter of StPYL1 (a PYR/PYL family ABA receptor) and activates its transcription, triggering the ABA signaling pathway and improving drought tolerance in potato. StPYL1 interacts with StHAB1, StPP2C24, StPP2C51.1, and StABI2. StABI2 acts as a key negative regulator of ABA signaling. It interacts with StOST1, StSnRK2.5, and StSnRK2.6 to regulate the expression of stomatal movement-related genes, including the slow-type anion channel 1 (StSLAC1) and guard cell hydrogen peroxide-resistant 1 (StGHR1), thereby potentiating ABA-induced stomatal closure. Overall, our findings demonstrate the molecular mechanism of StWRKY46-mediated drought tolerance through the ABA-StPYL1-StABI2-StOST1/StSnRK2.5/StSnRK2.6 pathway in potato.

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