New Phytologist ∣ 中国科学家揭示了miR172/IDS1调节谷类作物耐盐性的新机制...

2021年1月19日，中国农科院等多家单位合作在国际著名期刊New Phytologist发表了题为“The miR172/IDS1 signaling module confers salt tolerance through maintaining ROS homeostasis in cereal crops”的研究论文，揭示了miR172/IDS1信号模块通过维持谷物作物中的ROS稳态来赋予其耐盐性。

研究背景

水稻和小麦是世界上主要的谷类粮食作物。然而，土壤中高浓度的盐分严重威胁了它们的产量。高浓度的盐破坏植物细胞内水势和离子分布，导致植物细胞的渗透胁迫、氧化胁迫和无序代谢过程等。已报道，大豆miR172调节植物对盐的耐受性。然而，在单子叶作物中，对于miR172在盐胁迫下的生物学功能还缺乏全面的研究，MIR172家族中各基因成员之间潜在的功能也需要进一步阐明。

主要研究结果

1. 为了研究miRNAs在水稻耐盐中的作用，研究者使用NaCl处理水稻幼苗的根组织，并成生小RNA文库。其中，在NaCl处理0.5 h时，MIR172a能够被迅速而显著地诱导表达，这表明该基因对盐胁迫具有快速响应。耐盐性分析表明，过表达植株172a-OE在不同浓度(100 mM、140 mM和180 mM)NaCl处理的情况下，均表现出较强的耐盐性。该部分结果说明，miR172可能是水稻耐盐性所必需的一种正向调节因子。

2. 水稻MIR172家族一共有四名成员。结合GUS基因表达以及检测MIR172基因前体含量的实验结果，显示：盐胁迫能够诱导MIR172a和MIR172b基因的快速表达。使用Cripsr-Cas9技术，研究者获得了该家族的单突变体。表型分析说明：突变体172a-KO和172b-KO对盐胁迫非常敏感。MIR172c和MIR172d均无以上反应。该部分结果表明，MIR172a和MIR172b对水稻的耐盐性是非常重要的（图1）。

图 1 MIR172家族成员在调控水稻耐盐性方面存在差异

3. 前人报道水稻IDS1基因受盐胁迫诱导，是水稻耐盐性的关键负调控因子。在本研究中，研究者基于降解组测序和5'-RACE快速扩增实验，证实在体内miR172特异性地在切割IDS1转录本。烟草瞬时表达结果也证实pre-miR172a和pre-miR172b的表达都可以有效地抑制IDS1蛋白质的积累。在植物体内，IDS1是直接被miR172剪切和抑制的下游靶基因之一。突变体分析显示，IDS1功能缺失完全抑制了172b-KO的盐敏感的表型。该结果强有力地表明IDS1是位于miR172下游调控水稻盐敏感性的主要基因。

4. 为了探究miR172a/b调节的下游信号通路，研究者进行转录组数据分析。GO富集结果显示：在盐胁迫条件下，大量与氧化应激相关通路的基因表达量发生了明显改变。例如，在盐胁迫条件下，与ROS清除相关基因的表达量变化非常明显。结合ChIP-seq、ChIP-qPCR以及本氏烟草瞬时转录活性测定等实验，研究者证实IDS1能够结合ROS清除相关基因的启动子区域，并抑制其转录。二苯碘铵（DPI）为ROS的抑制剂。在NaCl处理下，DPI的外源施加使172b-KO的盐敏感表型很大程度上被特异性恢复。该结果表明，有效消除盐胁迫引发的有毒ROS积累可能会减缓植物组织的损伤，增强植物的耐盐性。

5. 最后，研究者在农作物小麦中对miR172/IDS1模块进行检测，证实miR172/IDS1-ROS氧化还原稳态信号通路在不同的谷类作物中可能是保守的。

一图解文

(a) 在正常生长条件下，IDS1对于确定花的特性和正常的幼苗生长是必需的。(b)在盐胁条件下，IDS1被miR172a/b迅速剪切并激活，然后释放和激活下游一系列活性氧(ROS)清除相关基因的表达，参与植物氧化还原内稳态的重建和盐的耐受。(c)在MIR172a/b功能缺失突变体中，IDS1介导的ROS清除系统被关闭，导致ROS过量积累，植物产生严重的氧化损伤，以及产生盐敏感表型。

miR172/IDS1模块作用模式图

意义和展望

先前的研究主要针对于盐胁迫信号转导和盐解毒反应的研究，但提高植物耐盐性的正调控元件的研究甚少。该研究分析了水稻耐盐性正调节模块miR172/IDS1，建立了miRNAs与谷类作物解毒反应之间的直接分子联系，为提高谷物耐盐性提供了新的见解。

原文链接: https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17211