《Plant Science》：TgARAD1 regulated by TgERF8 enhances the tolerance of
Torreya grandis to drought stress
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植物在干旱下通过关闭气孔减少水分流失，而保卫细胞细胞壁成分（尤其是阿拉伯聚糖）对此至关重要。本研究发现托雷氏属TgARAD1基因在干旱胁迫下显著上调，其过表达通过促进气孔关闭和增强抗氧化防御，显著提高拟南芥抗旱性，并揭示TgERF8转录因子通过直接结合启动子调控TgARAD1表达。该机制为培育抗旱托雷氏属品种提供了新思路。
王如曼|王同同|刘雅|苏金|金航标|吴家生|严静薇
中国浙江省农林大学森林食品资源开发利用国家重点实验室，杭州，311300
摘要
在干旱条件下，植物会迅速关闭气孔以减少水分流失，这一反应受到保卫细胞细胞壁特性的重要影响。ARABINAN DEFICIENT（ARAD）基因家族通过调节阿拉伯糖苷的生物合成来改变细胞壁的组成和结构，阿拉伯糖苷是果胶的重要侧链。虽然ARAD1已被证实与植物生长发育有关，但其在非生物胁迫反应中的功能仍不明确。本研究在具有极高药用价值的裸子植物Torreya grandis中发现了TgARAD1的表达在干旱胁迫下显著上调。亚细胞定位实验表明，TgARAD1位于高尔基体中。过表达TgARAD1能够促进气孔关闭，减少水分流失，增强抗氧化防御，并减轻氧化损伤，从而提高拟南芥的耐旱性。进一步研究表明，转录因子TgERF8通过与TgARAD1启动子的直接相互作用激活了其表达。综上所述，我们的发现揭示了一个先前未被描述的干旱响应调控模块，其中TgERF8通过增强TgARAD1的表达来调节气孔关闭和抗氧化应激。
引言
干旱胁迫已成为农业中常见的自然灾害。它严重抑制植物生长，威胁植物的存活和作物产量。植物对干旱的最早和最重要的生理反应之一是气孔关闭（Gong等人，2020年）。气孔是植物表皮上的微小孔隙，在调节气体交换中起着关键作用。气孔的开闭直接影响光合作用效率与水分利用之间的平衡（Merilo等人，2018年；Mohammad等人，2017年）。通过关闭气孔，植物可以防止过度失水，这是提高其抗逆能力的重要机制。因此，气孔运动是植物对环境胁迫适应性反应的关键过程（Lima等人，2018年）。
气孔是复杂的结构，其形态变化与这些细胞的特征和生理活动密切相关。其中，保卫细胞的细胞壁起着关键作用（Zheng等人，2023年）。保卫细胞壁主要由纤维素、半纤维素、果胶和多种结构蛋白组成。果胶并非单一的多糖，而是一类含有尿苷酸骨架和多种侧链的复杂多糖（Gu和Rasmussen，2021年；Scheller等人，2010年）。在这些侧链中，阿拉伯糖苷被认为与气孔运动密切相关。将能够水解阿拉伯糖苷的外源阿拉伯糖苷酶施用于拟南芥、玉米等植物的表皮上，可以显著抑制气孔的开闭（Carroll等人，2022年）。Carroll等人（2022年）还发现，保卫细胞中阿拉伯糖苷的改变会改变气孔开口大小并减少叶片的气体交换。
阿拉伯糖苷由ARABINAN DEFICIENT基因编码的阿拉伯糖基转移酶直接合成，拟南芥中有两个这样的基因，ARAD1和ARAD2，都属于GT47糖基转移酶家族的B亚组。多项研究表明，阿拉伯糖苷在植物生长发育中具有重要作用（Mohnen，2008年）。例如，在拟南芥中失去ARAD1基因功能会导致阿拉伯糖苷含量显著降低，同时茎部宽度略有增加，这可能是由于形成层细胞增大和茎叶稍大（Harholt等人，2006年）。Verhertbruggen等人（2013年）发现arad1基因会影响花序茎的高度。在Nicotiana alata中，NaARADL1介导的阿拉伯糖苷主要在烟草花粉粒中表达，这表明其与花粉发育可能存在关联（Lampugnani等人，2016年）。最近的研究发现，拟南芥中ARAD1介导的阿拉伯糖苷变化会调节保卫细胞壁的硬度并影响细胞弯曲程度（Carroll等人，2022年）。此外，ARAD还参与植物对非生物胁迫的响应。例如，在茶树中，CsARAD的表达受环境因素的显著诱导，干旱和寒冷胁迫是主要的触发因素（Liao等人，2023年）。然而，ARAD基因是否参与植物对非生物胁迫的响应仍有待研究。
Torreya grandis是一种广泛分布于亚热带山区的经济树种（Yan等人，2024年）。它具有很高的药用价值，并具有显著的栽培效益。其种子富含不饱和脂肪酸，占比超过78%。这些不饱和脂肪酸对人类健康至关重要，例如降低胆固醇水平、保护心血管健康、预防慢性疾病和增强免疫力（Wang等人，2024年；Yan等人，2023年）。T. grandis的种仁含有多种化合物和生物碱，如torreya酯和cephalotaxine，使其具有抗菌、抗炎等作用（Chen等人，2006年；Kim等人，2016年）。然而，T. grandis主要分布在中国南部的山区，这些地区往往缺乏人工灌溉系统。极端天气事件的频率增加导致这些地区季节性干旱频发，严重限制了T. grandis产业的发展（Jin等人，2019年；Lin等人，2019年）。因此，研究T. grandis的干旱响应机制对于培育新的耐旱品种具有重要意义。
研究表明，阿拉伯糖苷调节植物对非生物胁迫的响应，可以推测ARAD基因在T. grandis的耐逆性中起关键作用。为了验证这一假设，检测了T. grandis在不同胁迫条件下的TgARAD1基因表达水平。结果表明，干旱条件下TgARAD1的转录水平上调，且TgARAD1的过表达提高了拟南芥的耐旱性。此外，还揭示了TgARAD1介导干旱响应的潜在调控机制，即通过调节气孔运动。总体而言，这些发现为干旱胁迫期间气孔动态的分子调控提供了新的见解。
实验材料
实验材料
实验材料选用了在浙江省广泛栽培的Torreya grandis。选择两年生、地面直径和高度均匀、无病虫害的幼苗，在盆栽条件下进行土壤培养，并对其进行非生物胁迫处理。对于寒冷胁迫，幼苗在4°C下分别处理0天、3天、6天和9天。盐胁迫通过浇灌300 mM NaCl处理0天、5天、10天和20天。对于干旱胁迫，植物要么正常浇水，要么受到干旱处理
Torreya grandis中TgARAD1的表达模式
为了阐明TgARAD1在T. grandis中的功能，使用RT-qPCR检测了种子、叶片、茎和根等不同组织中的TgARAD1表达水平。首先为TgARAD1设计了特异性引物，并在表达分析前验证了其性能。
讨论
近期研究表明，果胶在调节气孔运动中起着重要作用（Harholt等人，2006年；Jones等人，2005年；Scheller等人，2010年）。例如，在拟南芥中敲除参与果胶修饰的果胶裂解酶PLL12基因会改变细胞壁的机械特性并严重干扰正常的气孔功能（Harholt等人，2006年）。类似地，果胶甲基酯酶抑制剂18（PMEI18）基因的突变会导致保卫细胞增大
结论
这些发现提出了一种模型，其中转录因子TgERF8通过增强TgARAD1的表达起正向调控作用。TgARAD1表达的升高促进气孔关闭，减少水分流失，并减轻氧化损伤，从而提高植物的耐旱性（图7）。这些发现揭示了一个新的干旱响应调控模块，并确定了培育耐旱T. grandis品种的有希望的遗传靶点。此外，本研究
未引用参考文献
(Erpen等人，2018年；Jan等人，2021年；Liu等人，2023年；Yan等人，2023年)
CRediT作者贡献声明
刘雅：方法学。苏金：方法学。金航标：方法学。吴家生：方法学。严静薇：写作——审稿与编辑，资金获取。王如曼：写作——初稿，概念构思。王同同：方法学。利益冲突
作者声明不存在可能影响研究客观性的个人利益关系。
致谢
我们非常感谢浙江农林大学的Jiawen Yan、Zhihui Liu和Tongtong Wang。他们的建设性建议和实际帮助对推进这项研究项目起到了重要作用。我们感谢国家自然科学基金（项目编号32371921）提供的财政支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
