《Plant Stress》：A hierarchical ScMYB11L–ScZAT1–ScDREB1A module defines a derepression pathway for cold-response regulation in sugarcane
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【编辑推荐】为应对低温胁迫对甘蔗生产力的制约，本研究系统解析了一个全新的转录调控模块。研究人员发现，MYB转录因子ScMYB11L在低温下直接抑制C2H2型锌指蛋白ScZAT1的表达，从而解除ScZAT1对核心冷响应因子ScDREB1A的转录抑制，最终增强甘蔗的耐冷性。该研究不仅阐明了甘蔗中一条此前未知的“抑制-去抑制”通路，也为通过遗传改良提升作物抗逆性提供了新靶点。
低温胁迫是限制植物生存、生长和产量的主要非生物逆境。对于甘蔗这种重要的热带/亚热带经济作物，寒冷更是制约其生产力与地理分布的关键因素。然而，与拟南芥、水稻等模式植物相比，甘蔗这类基因组复杂、遗传转化困难的作物，其响应低温的转录调控机制仍不甚清晰。尤其在关键的CBF（C-repeat Binding Factor）通路之外，是否存在独特的调控层级的“开关”，能够精准控制冷响应基因的适时激活与关闭，以平衡生长与防御的能耗，是科学家们亟待回答的问题。
为了深入探究甘蔗耐冷性的分子基础，福建农林大学农业与农村部甘蔗生物学与遗传育种重点实验室的研究团队在《Plant Stress》期刊上发表了一项重要研究。他们聚焦于一类功能多样的转录因子——C2H2型锌指蛋白（C2H2-ZFP），这类蛋白因其保守的QALGGH基序和EAR（乙烯响应元件结合因子相关两亲性抑制）抑制基序，在多种逆境响应中扮演着“激活剂”或“抑制剂”的双重角色。研究旨在鉴定甘蔗中关键的C2H2-ZFP成员，并阐明其在冷胁迫响应网络中的具体功能与调控机制。
研究采用的关键技术方法主要包括：利用DNA亲和纯化测序（DAP-seq）和酵母单杂交（Y1H）筛选并验证转录因子与启动子的直接结合；通过双荧光素酶报告基因（Dual-Luciferase）和凝胶迁移实验（EMSA）在体内外确认转录调控活性；构建ScZAT1过表达的转基因拟南芥株系，结合表型分析、生理生化指标（如ROS、MDA、抗氧化酶活性）测定和转录组测序（RNA-seq）进行功能验证；在甘蔗本物种中，利用已构建的ScMYB11L过表达（OE）和RNA干扰（RNAi）转基因株系，以及具有不同耐冷性的栽培种（感冷品种XTT22和耐冷品种FN39），通过qRT-PCR进行模块内基因表达模式的动态关联分析。
研究结果如下：
3.1. ScZAT1是ScMYB11L直接转录抑制的靶基因
研究人员通过DAP-seq、AlphaFold3结构建模、EMSA、Y1H和双荧光素酶报告基因实验等一系列证据链，证实MYB转录因子ScMYB11L能够直接结合到ScZAT1基因启动子区的一个特异 motif 上，并在正常和低温条件下均显著抑制ScZAT1的启动子活性，从而将ScZAT1确立为ScMYB11L的直接下游负调控靶标。
3.2. 甘蔗ScZAT1的克隆与特征分析
研究从甘蔗品种XTT22中克隆得到ScZAT1，其编码的蛋白含有两个保守的C2H2锌指结构域（含QALGGH基序）和一个C端的DLN-box（EAR抑制基序），提示其可能具有转录抑制功能。系统发育分析将其归为C1-2i亚类，并与拟南芥AtZAT6/AtZAT10等同源蛋白具有较远的进化关系。启动子顺式作用元件分析发现其含有多种胁迫和激素响应元件。
3.3. ScZAT1是定位于细胞核的胁迫响应蛋白
亚细胞定位显示ScZAT1-GFP融合蛋白特异定位于细胞核。酵母自激活实验表明ScZAT1自身不具备转录激活活性。表达谱分析发现ScZAT1在根中表达最高，且能被低温、H2O2、ABA、MeJA和SA显著诱导，表明其参与多种逆境和激素信号通路。
3.4. 在拟南芥中过表达ScZAT1削弱其耐冻性
在拟南芥中过表达ScZAT1导致转基因植株在-4°C冷冻胁迫后的存活率、光系统II最大光化学效率（Fv/Fm）均显著低于野生型，表明ScZAT1负调控植物的耐冻性。
3.5. ScZAT1破坏冷冻胁迫下的ROS稳态和抗氧化防御
生理生化分析显示，过表达ScZAT1的拟南芥在冷冻胁迫后，活性氧（ROS）、H2O2、丙二醛（MDA）含量和电解质泄漏率显著升高，而总抗氧化能力（T-AOC）及过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）的活性显著降低，说明ScZAT1通过破坏ROS稳态和削弱抗氧化防御加剧了冷冻损伤。
3.6. 转录组分析揭示ScZAT1抑制冷响应基因
RNA-seq分析发现，过表达ScZAT1的拟南芥在冷冻胁迫下，大量差异表达基因富集于胁迫响应、激素信号和光合作用等通路。关键冷响应标记基因AtCBF1/2/3、AtRD29a和AtCOR15a的表达在转基因株系中受到显著抑制。
3.7. CBF通路抑制的qRT-PCR验证
qRT-PCR结果进一步证实，在过表达ScZAT1的拟南芥中，AtCBF1/2/3及其下游靶基因AtRD29a和AtCOR15a的冷诱导表达被显著削弱。
3.8. ScZAT1直接抑制AtCBF1和ScDREB1A的启动子
机制上，双荧光素酶和Y1H实验证明，ScZAT1能够直接结合并转录抑制AtCBF1及其甘蔗同源基因ScDREB1A的启动子活性，这为其作为CBF/DREB通路上游抑制因子的功能提供了直接证据。
3.9. ScMYB11L–ScZAT1–ScDREB1A模块与甘蔗品种耐冷性差异相关
在甘蔗中的验证表明，在过表达ScMYB11L的转基因株系中，ScZAT1被强烈抑制，而ScDREB1A被剧烈诱导；反之，在ScMYB11L-RNAi株系中，ScZAT1表达升高，ScDREB1A诱导受损。更重要的是，在自然耐冷品种FN39中，存在“高ScMYB11L/ScDREB1A，低ScZAT1”的表达模式，而在感冷品种XTT22中则呈现相反趋势，证明该模块的表达模式与品种耐冷性显著相关。
研究结论与讨论：
本研究系统鉴定并阐明了甘蔗中一个全新的、以“抑制-去抑制”为核心工作原理的转录调控模块：ScMYB11L–ScZAT1–ScDREB1A。该模块的工作机制是：在低温胁迫下，上游的MYB转录因子ScMYB11L被诱导，并直接结合到下游C2H2型锌指蛋白编码基因ScZAT1的启动子上，抑制其转录。ScZAT1作为一种转录抑制因子，其表达被抑制后，便解除了它对核心冷响应因子ScDREB1A（甘蔗中的CBF同源基因）启动子的直接结合与转录抑制，从而激活了CBF-COR（冷调节）通路，最终增强植物的耐冷性。
这一发现具有多重重要意义。首先，它在甘蔗中定义了一条此前未知的冷信号通路层级，丰富了人们对复杂作物抗逆调控网络的认识，凸显了植物通过“抑制剂的抑制剂”这种精巧设计来实现信号精准调控的普遍策略。其次，研究揭示了ScZAT1通过破坏ROS稳态和抗氧化防御来负调控耐冷性的新机制，将C2H2-ZFP家族蛋白的功能与氧化应激响应紧密联系起来。再者，该模块在不同耐冷性甘蔗品种中的差异表达模式，为其作为重要的耐冷性调控枢纽和潜在的分子育种靶标提供了强有力的证据。研究提出的遗传改良策略，如过表达ScMYB11L或敲低ScZAT1，为通过分子设计育种培育高抗寒甘蔗新品种指明了方向。
