苹果是一种重要的落叶果树，广泛种植在半干旱和干旱地区。干旱胁迫会严重影响苹果的生长、品质和产量。WRKY转录因子在植物非生物胁迫响应中起关键作用。然而，苹果中WRKY转录因子响应干旱和渗透胁迫的分子机制尚不清楚。
2023年5月22日，河北农业大学与西北农林科技大学的联合研究成果，在线发表在Horticultural Plant Journal 期刊(Q1区，影响因子5.7)，文章题目为“Overexpression of the transcription factor MdWRKY115 improves drought and osmotic stress tolerance by directly binding to the MdRD22 promoter in apple"。该研究使用DNA亲和纯化测序(DAP-seq)技术鉴定了苹果转录因子MdWRKY115的结合基序和靶基因。揭示了MdWRKY115通过直接结合MdRD22启动子增强植物对干旱和渗透胁迫耐受性的调节机制。
该研究从“金冠"苹果品种的叶片中克隆了MdWRKY115基因，该基因编码包含356个氨基酸的蛋白。序列比对和系统进化分析表明MdWRKY115蛋白具有一个非常保守的WRKY结构域，是第Ⅲ组WRKY家族成员之一。
图1. 不同植物中WRKY转录因子的序列比对和系统进化分析
qRT-PCR结果说明，干旱和渗透胁迫下MdWRKY115的表达上调。GUS活性分析表明，MdWRKY115的启动子活性在渗透胁迫下明显增强。亚细胞定位分析表明，MdWRKY115定位于细胞核。转录激活分析表明，MdWRKY115是一个转录激活因子，其转录激活域位于N端区域。
图2. MdWRKY115在干旱和渗透胁迫下的表达模式及转录激活分析
转基因株系的表型分析表明，在拟南芥幼苗和苹果愈伤组织中过表达MdWRKY115，显著提高了它们对干旱和渗透胁迫的耐受性。
图3. 在渗透胁迫处理下，过表达MdWRKY115的转基因拟南芥幼苗的表型
图4. 过表达MdWRKY115的转基因拟南芥幼苗中与渗透胁迫响应相关的生理变化
图5. 过表达MdWRKY115的转基因拟南芥增强了对干旱的耐受性
图6. 在渗透胁迫处理下，过表达MdWRKY115的转基因苹果愈伤组织的表型
DAP-seq鉴定了MdWRKY115的结合元件是W-box基序（核心序列是TTGAC）。通过对MdWRKY115结合位点的筛选发现，胁迫相关基因MdRD22是MdWRKY115的潜在靶基因。电泳迁移率测定（EMSA）验证了MdWRKY115与MdRD22启动子的特异性结合。此外，通过检测转基因苹果愈伤组织发现，过表达MdWRKY115基因能够促进MdRD22的表达。这些结果表明，MdWRKY115通过直接与MdRD22的启动子结合，调控其表达。
图7. MdWRKY115直接与MdRD22启动子结合，调控MdRD22的表达
小结：该研究鉴定了苹果中与干旱和渗透胁迫耐受性相关的一个调控因子MdWRKY115。MdWRKY115是一个第Ⅲ组WRKY转录因子，定位于细胞核，具有转录激活活性。MdWRKY115通过与MdRD22启动子结合，调控MdRD22的表达，提高了转基因拟南芥和苹果愈伤组织对干旱和渗透胁迫的耐受性。总之，该研究为MdWRKY115通过调控MdRD22的表达来增强苹果对干旱和渗透胁迫耐受性的分子机制提供了新见解，也对利用分子遗传策略培育耐旱植物新品种具有重要意义。
参考文献：Dong Q, Tian Y, Zhang X, Duan D, Zhang H, Yang K, Jia P, Luan H, Guo S, Qi G, Mao K, Ma F, Overexpression of the transcription factor MdWRKY115 improves drought and osmotic stress tolerance by directly binding to the MdRD22 promoter in apple, Horticultural Plant Journal. doi.org/10.1016/j.hpj.2023.05.005.
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