苹果产业在我国北方农民增收、乡村振兴及生态环境改善等方面发挥重要作用。以陕西渭北旱塬为中心的西北黄土高原产区是我国最大的苹果产区，具有海拔高、温差大、光照足、土层深厚等优良环境特点。但该地区降水量少且年周期内分布不均，干旱缺水成为限制该地区苹果产量和品质提升的主要环境因子。另外，环渤海湾地区作为我国第二大苹果产区，也存在季节性缺水问题。挖掘苹果干旱胁迫响应关键基因并解析其调控机理，能够为苹果的抗逆分子育种提供理论依据和基因资源，对于苹果产业的可持续发展具有重要意义。
近日，我院苹果抗逆与品质改良创新团队马锋旺教授/毛柯副研究员课题组在 Plant Physiology 在线发表了题为“MdbHLH160 is stabilized via reduced MdBT2-mediated degradation to promote MdSOD1 and MdDREB2A-like expression for apple drought tolerance”的研究论文，揭示了干旱下ABA信号通过促进MdbHLH160蛋白稳定性激活其介导的 MdSOD1 和 MdDREB2A-like 的表达，从而正调节苹果耐旱性的分子机理。
课题组首先从苹果中鉴定出一个显著响应干旱和ABA的bHLH转录因子MdbHLH160，并通过转基因植株中的功能鉴定证明其正调节耐旱性。通过互作蛋白筛选，发现MdbHLH160能与超氧化物歧化酶MdSOD1发生蛋白互作。亚细胞定位分析发现MdbHLH160作为核定位蛋白，其共表达能显著促使MdSOD1蛋白入核，从而抑制胁迫下核内ROS的过量积累。进一步通过体外和体内酶活性分析实验发现，MdbHLH160能通过互作增强MdSOD1蛋白的酶活性，从而促进干旱下植株中过量ROS的清除，缓解氧化胁迫损伤。另外，对干旱下的转基因材料进行表达分析，发现MdbHLH160显著促进MdSOD1 和DREB（dehydration-responsive element binding factor）家族基因 MdDREB2A-like 的表达。启动子结合鉴定及转录调控分析实验证明MdbHLH160作为转录因子能直接结合两个基因的启动子并激活它们的转录，从而正调节苹果植株的耐旱性。
前人研究表明，植物在干旱下会积累ABA，且ABA信号是植物响应干旱胁迫的关键通路之一。课题组发现MdbHLH160除了基因表达受干旱和ABA诱导外，其蛋白稳定性在干旱和ABA处理下也显著提高。通过互作蛋白筛选，发现MdBT2也能够与MdbHLH160互作。目前，已有研究表明MdBT2蛋白能作为E3泛素酶复合体成员参与介导靶蛋白的泛素化降解，且该蛋白的功能受干旱和ABA的抑制。基于此，课题组分析了MdBT2对MdbHLH160蛋白在不同处理下的蛋白稳定性和泛素化水平的影响，发现MdBT2显著促进MdbHLH160蛋白的泛素化和降解，且该过程受到干旱和ABA处理的抑制。进一步的双转基因愈伤中的功能鉴定和烟草叶片中的转录激活实验表明，MdBT2在一定程度上抑制了MdbHLH160介导的耐旱性以及对下游靶基因的转录激活作用。
基于以上结果，该研究提出了干旱下MdbHLH160参与ABA介导的耐旱性调控的潜在工作模型（见上图）。当苹果植株处于干旱胁迫下，ABA积累且ABA信号被激活。ABA信号一方面通过促进 MdbHLH160 的基因表达促进其蛋白积累。另一方面，ABA信号会抑制 MdBT2 的表达和蛋白稳定性，从而抑制其介导的MdbHLH160蛋白的泛素化降解。随后，积累的MdbHLH160蛋白结合靶基因 MdSOD1 和 MdDREB2A-like 的启动子并促进它们的表达，从而增强植株耐旱性。另外，MdbHLH160还能通过与MdSOD1互作促进其酶活性以及在细胞核中的积累，从而缓解干旱下的核内氧化胁迫损伤。综上，该研究提出了苹果响应干旱胁迫的ABA-MdBT2-MdbHLH160- MdSOD1/MdDREB2A-like 级联通路。
西北农林科技大学作物抗逆与高效生产全国重点实验室/我院马锋旺教授为本文通讯作者，毛柯副研究员和博士后杨洁为本文第一作者。本研究得到国家自然科学基金、陕西省科技重大专项、陕西省自然科学基础研究计划和国家苹果产业技术体系专项资金的资助。研究还得到加拿大28预测开奖官网咪牌实验平台在实验技术上的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiad579
