《Plant Physiology and Biochemistry》：GmFIP37, a core m6A methyltransferase in soybean (
Glycine max), confers salt and drought tolerance via synergistic regulation of m6A modification and antioxidant-osmolyte homeostasis
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本研究针对大豆在盐旱胁迫下产量与品质严重受损而m6A甲基转移酶功能未知的问题，系统鉴定了大豆GmFIP37基因家族，发现GmFIP37c通过提升m6A水平协同增强抗氧化酶活性和渗透调节物积累，显著提高大豆耐逆性，为大豆抗逆育种提供了新靶点。
大豆作为全球重要的粮油作物，其生产常受盐胁迫和干旱胁迫的严重制约，导致产量损失高达20%-50%。面对这些非生物胁迫，植物进化出了复杂的调控网络，其中表观遗传修饰作为一种可逆的基因表达调控机制，在植物快速响应逆境中扮演着关键角色。在多种表观遗传修饰中，RNA N6-甲基腺苷（m6A）是真核生物信使RNA（mRNA）中最丰富的内部化学修饰，它通过调控mRNA的稳定性、翻译效率等转录后过程，广泛参与植物的生长发育和逆境应答。m6A修饰的动态调控由三类核心蛋白执行：“书写器”（甲基转移酶）负责催化m6A修饰的形成，“擦除器”（去甲基化酶）负责去除修饰，而“阅读器”则识别并结合m6A修饰，进而影响mRNA的命运。
在植物中，m6A甲基转移酶是一个多亚基复合物。其中，FIP37（FKBP12相互作用蛋白37）作为该复合物的核心支架组分，对于维持复合物的催化活性和正常组装至关重要。在拟南芥等模式植物中的研究表明，FIP37的缺失会导致全局m6A水平显著下降，并引发严重的发育缺陷。近年来，研究还发现FIP37同源基因在杨树、柳枝稷等植物的非生物胁迫响应中发挥作用。然而，在如此重要的大豆作物中，FIP37同源基因的功能，特别是其在盐胁迫和干旱胁迫应答中的作用，仍是一片空白。解析大豆中m6A调控基因的功能，尤其是核心甲基转移酶如GmFIP37的作用，对于理解大豆逆境适应的表观遗传机制和培育抗逆大豆新品种具有重要的理论和实践意义。
为了填补这一知识空白，研究人员在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了他们的研究成果。他们旨在系统鉴定大豆中的GmFIP37基因家族，并深入探究GmFIP37，特别是其中响应最显著的成员GmFIP37c，在调控大豆耐盐性和耐旱性中的功能及其作用机制。
为开展此项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。他们首先通过生物信息学分析鉴定了大豆基因组中的GmFIP37家族成员，并对其进行了系统进化、保守结构域和启动子顺式作用元件等分析。利用定量实时PCR（RT-qPCR）技术分析了基因的组织表达特性和胁迫诱导表达模式。通过农杆菌介导的瞬时转化技术在烟草叶片中进行亚细胞定位观察。功能验证方面，研究采用了多系统策略：在酿酒酵母中进行异源表达以评估基础胁迫耐受性；通过发根农杆菌介导的大豆毛状根转化技术获得过表达和对照复合植株，进行形态、生理和全局m6A含量分析；利用病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术在本氏烟中瞬时沉默GmFIP37c以验证其功能缺失效应；此外，还通过农杆菌介导的拟南芥遗传转化获得过表达GmFIP37c的转基因株系，并在模式植物中验证其功能的跨物种保守性。生理指标（如抗氧化酶活性、丙二醛（MDA）、脯氨酸、甜菜碱含量等）的测定则采用了标准的生化分析方法。研究使用的大豆材料为栽培种Williams 82。
3.1. GmFIP37基因的鉴定与生物信息学分析
研究人员在大豆基因组中成功鉴定出四个GmFIP37基因，分别命名为GmFIP37a至GmFIP37d。生物信息学分析显示，所有GmFIP37蛋白均含有保守的WTAP功能结构域，其基因结构均包含14个外显子，且蛋白质预测定位于细胞核。系统进化分析表明，GmFIP37与野生大豆中的GsFIP37亲缘关系最近。共线性分析发现，GmFIP37基因家族内部存在六对片段重复事件，表明片段重复是该基因家族在大豆中扩张的主要驱动力。
3.2. GmFIP37c的启动子顺式作用元件和亚细胞定位
对核心胁迫响应成员GmFIP37c的启动子序列分析发现，其含有丰富的胁迫和激素响应相关顺式作用元件，如ABRE（脱落酸响应元件）、LTR（低温响应元件）等，提示其表达受逆境和激素信号的精密调控。亚细胞定位实验证实，GmFIP37c蛋白确实定位在细胞核，这与它作为m6A甲基转移酶复合体组分的预期功能位置一致。
3.3. GmFIP37的组织特异性和胁迫诱导表达
表达模式分析显示，四个GmFIP37基因在大豆根、茎、叶、花、豆荚和种子中均有表达，但在茎和根中表达量最高。在盐胁迫（150 mM NaCl）和干旱模拟胁迫（10% PEG 6000）处理下，所有GmFIP37基因的表达均被快速诱导，呈现先上升后下降的趋势，其中GmFIP37c的诱导幅度最大，响应最为显著，因此被选为后续功能研究的重点对象。
3.4. GmFIP37c增强酵母的盐旱胁迫耐受性
为了初步验证GmFIP37c的功能，研究人员将其在酿酒酵母INVSc1菌株中进行异源表达。结果表明，在正常条件下，表达GmFIP37c的酵母与对照生长无差异；而在含有1 M NaCl或1.6 M甘露醇（模拟干旱）的胁迫平板上，表达GmFIP37c的酵母生长状况明显优于对照酵母。定量分析也显示，其在胁迫液体培养基中的生长密度（OD600）显著高于对照，证明GmFIP37c的表达能有效增强酵母对盐和干旱胁迫的耐受性。
3.5. GmFIP37c过表达通过增加m6A含量增强大豆耐盐耐旱性
通过发根农杆菌K599介导的大豆毛状根转化，研究人员获得了过表达GmFIP37c（GmFIP37c-OE）的复合植株。在盐胁迫和干旱胁迫下，GmFIP37c-OE植株相比空载体（EV）对照植株表现出更轻的胁迫症状、更好的生长状态，其株高、根表面积等生长指标显著优于对照。生理指标测定发现，GmFIP37c-OE植株的抗氧化酶（SOD, POD）活性更高，渗透调节物质（脯氨酸、甜菜碱）含量显著积累，而活性氧（H2O2, O2-）和膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）含量则显著降低。最关键的是，研究人员直接测定了毛状根中的全局m6A含量，发现GmFIP37c-OE植株的m6A水平比对照显著提高了32.03%，这为GmFIP37c通过正调控m6A修饰来增强胁迫耐受性提供了直接证据。
3.6. 沉默GmFIP37c降低大豆胁迫耐受性
为了进一步验证GmFIP37c的功能，研究利用病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术下调大豆中GmFIP37c的表达。与过表达结果相反，在盐胁迫和干旱胁迫下，GmFIP37c沉默植株相比对照植株表现出更严重的生长抑制、更低的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量，以及更高的活性氧积累和膜损伤程度。这一功能缺失实验的结果与功能获得（过表达）实验相互印证，确证了GmmFIP37c在大豆盐旱胁迫应答中的正调控作用。
3.7. GmFIP37c异源过表达增强拟南芥胁迫耐受性
为了检验GmFIP37c功能的跨物种保守性，研究人员在拟南芥中过表达了GmFIP37c。结果表明，在盐胁迫和干旱胁迫下，过表达株系的种子萌发率、幼苗根长和鲜重均显著高于野生型，而atfip37突变体则表现出更高的胁迫敏感性。在土壤生长的成熟植株胁迫实验中，过表达株系也表现出更好的存活率和更轻的胁迫损伤表型。生理分析同样显示，过表达株系具有更强的抗氧化能力和更低的氧化损伤。这些结果证明GmFIP37c的功能在单子叶模式植物拟南芥中也是保守的，其增强胁迫耐受性的能力具有普适性。
综合以上研究结果，可以得出结论：GmFIP37，特别是GmFIP37c，是大豆m6A甲基转移酶复合体的一个关键组分。它通过正调控全局m6A修饰水平，进而协同增强抗氧化防御（提高SOD、POD等酶活性）和渗透调节（积累脯氨酸、甜菜碱等物质）能力，有效清除活性氧、减轻膜脂过氧化损伤并维持细胞水分平衡，从而显著提升大豆对盐胁迫和干旱胁迫的耐受性。
这项研究的讨论部分强调了其重要意义。与以往仅描述大豆m6A修饰图谱的研究不同，本研究首次系统鉴定并功能验证了大豆中核心m6A甲基转移酶GmFIP37基因家族，特别是明确了GmFIP37c在盐旱胁迫应答中的关键作用。研究揭示了GmFIP37c通过调控m6A修饰这一表观遗传层级的机制，将抗氧化和渗透调节这两条关键的生理防御途径联系起来，形成了协同增效的胁迫适应策略。这种由表观遗传因子整合多条生理通路以增强胁迫耐受性的机制，在大豆中属首次报道。研究不仅深化了对大豆逆境适应表观遗传机制的理解，而且为利用基因工程手段（例如过表达GmFIP37c）培育抗逆性更强的大豆新品种提供了有价值的候选基因和理论依据。未来研究可进一步通过m6A测序（m6A-seq）等技术鉴定GmFIP37c的直接靶mRNA，从而更精确地解析其下游作用网络。
