GhWRKY70与GhMPK6互作通过ABA和MAPK通路正向调控棉花抗旱性的机制解析

《Plant Physiology and Biochemistry》：GhWRKY70 Interacted with GhMPK6 Positively Mediates Drought Tolerance in Cotton

本研究针对棉花干旱胁迫响应机制不明确的科学问题，聚焦WRKY转录因子家族成员GhWRKY70，通过基因沉默、过表达及多技术互作验证，揭示其通过促进气孔关闭、增强ROS清除能力，并协同ABA信号通路与MAPK级联（GhMPK6互作）共同提升棉花抗旱性的新机制，为作物抗逆育种提供了重要靶点。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为制约农作物产量和品质提升的首要非生物胁迫因素。棉花作为重要的经济作物，其生长和纤维发育对水分胁迫极为敏感。尽管植物在长期进化中形成了包括形态适应、渗透调节、抗氧化防御和信号转导在内的复杂抗旱机制，但干旱响应网络的分子调控细节，尤其是转录因子与关键信号通路的交叉互作机制，仍有大量空白亟待填补。WRKY转录因子是植物中最大的转录因子家族之一，其通过结合靶基因启动子区的W-box顺式元件，在植物发育和逆境应答中发挥核心作用。然而，棉花中WRKY家族成员在干旱胁迫中的具体功能及上下游调控网络尚不明确。

为解决上述问题，浙江理工大学彩色纤维基因组学与分子改良实验室的研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了最新研究成果。研究以陆地棉(Gossypium hirsutum)为材料，鉴定到一个受干旱胁迫显著诱导的III类WRKY转录因子GhWRKY70，并系统解析了其在棉花抗旱性中的正向调控功能及作用机制。

研究采用的关键技术方法包括：利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术在棉花中敲低GhWRKY70和GhMPK6基因表达；通过农杆菌介导的遗传转化获得过表达GhWRKY70的转基因拟南芥株系；通过双分子荧光互补(BiFC)、荧光素酶互补成像(LCI)和酵母双杂交(Y2H)实验验证GhWRKY70与GhMPK6的体内外互作；采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析基因表达模式；通过组织化学染色(NBT、DAB)和生化测定分析活性氧(ROS)积累、抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)、丙二醛(MDA)及叶绿素含量；利用显微镜观测气孔开度。

GhWRKY70在棉花中的序列特征与表达模式分析

GhWRKY70编码275个氨基酸，包含典型的WRKYGQK结构域和C2HC锌指样基序，属于III类WRKY亚家族。亚细胞定位显示GhWRKY70定位于细胞核。表达分析表明，GhWRKY70在叶片中表达最高，且在干旱胁迫后期(24小时)表达显著上调。

沉默GhWRKY70削弱棉花的抗旱性

通过VIGS技术成功构建GhWRKY70沉默株系(GhWRKY70i)。干旱处理下，GhWRKY70i植株呈现更严重的萎蔫表型，叶片失水率加快，叶绿素含量降低，MDA积累增加。这些现象在幼苗期和成熟期均一致出现，表明GhWRKY70是棉花抗旱性的长期正向调控因子。

GhWRKY70通过调节气孔运动影响抗旱性

显微观察发现，干旱胁迫下GhWRKY70i植株气孔开度显著大于对照，导致水分过度散失。而在过表达GhWRKY70的拟南芥中，气孔关闭更为迅速。证明GhWRKY70通过促进气孔关闭减少水分散失。

GhWRKY70调控ROS稳态与抗氧化酶系统

干旱条件下，GhWRKY70i植株中O₂^•–和H₂O₂积累加剧，SOD、POD、CAT活性降低。反之，GhWRKY70过表达拟南芥的ROS清除能力增强，MDA含量下降。表明GhWRKY70通过激活抗氧化酶系统缓解氧化损伤。

GhWRKY70参与ABA信号通路调控

基因表达分析显示，沉默GhWRKY70后，ABA合成关键基因GhNCED3和胁迫响应基因GhRD29A表达下调，而GhP5CS表达上升。在过表达株系中，AtNCED3、AtP5CS、AtRD29A、AtCOR15A等ABA相关基因显著上调，且气孔对ABA敏感性增强。说明GhWRKY70通过调控ABA信号通路增强抗旱性。

GhWRKY70与GhMPK6互作共同响应干旱胁迫

BiFC、LCI和Y2H实验均证实GhWRKY70与GhMPK6在体内外直接互作，且互作发生于细胞核。沉默GhMPK6导致棉花抗旱性降低，表型与GhWRKY70沉默株相似。表明二者在MAPK信号级联中协同作用。

研究结论表明，GhWRKY70作为棉花抗旱性的关键正调控因子，通过促进ABA积累诱导气孔关闭，增强抗氧化酶活性以清除ROS，并与GhMPK6互作整合ABA和MAPK信号通路，形成多维调控网络。该研究不仅揭示了GhWRKY70的多重抗旱机制，为理解转录因子在信号通路交叉对话中的枢纽作用提供了新视角，而且为棉花抗旱分子育种提供了有价值的候选基因。鉴于GhWRKY70的多效性，未来可将其与互补基因叠加，培育兼具高产与广适性的棉花新种质。