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農科院作物所：NMT發現E3泛素連接酶基因TaPUB15增強了水稻
NMT作為生命科學底層核心技術，是建立活體創新科研平臺的*技術。2005年~2020年，NMT已扎根中國15年。2020年，中國NMT銷往瑞士蘇黎世大學，正式打開歐洲市場。
基本信息
主題：NMT發現E3泛素連接酶基因TaPUB15增強了水稻在鹽脅迫下排鈉保鉀的能力
期刊：Food and Energy Security
影響因子：5.242
研究使用平臺：NMT植物耐鹽創新平臺
標題：TaPUB15, a U-Box E3 ubiquitin ligase gene from wheat, enhances salt tolerance in rice
作者：中國農業科學院作物研究所景蕊蓮、毛新國、李巧茹
檢測離子/分子指標
Na+、K+
檢測樣品
2周齡水稻幼苗（轉基因、WT）根分生區（距根尖100 μm根表上的點）
中文摘要（谷歌機翻）
植物U-box（PUB）E3泛素連接酶在對環境脅迫和激素信號的響應中起著至關重要的作用，但在小麥（Triticum aestivum L.）中對其了解甚少。我們鑒定了一個U-box E3泛素連接酶基因TaPUB15，它在小麥栽培品種中是保守的。TaPUB15在多種組織中表達，且根部的表達量遠高于其他組織。鹽、脫落酸、4℃和聚乙二醇（PEG）誘導TaPUB15的轉錄。TaPUB15-D的過表達使轉基因水稻的耐鹽性得到改善，同時轉基因水稻的根也增多。離子通量測定表明，轉基因水稻植株的耐鹽性得到改善，在鹽度脅迫下保持較低的Na+/K+比值。基因表達測定表明，相對于野生型，轉基因水稻中一些鹽脅相關基因顯著上調。轉基因水稻的這些結果也在轉基因擬南芥中得到了驗證。我們的數據表明，TaPUB15在提高作物植物的耐鹽性方面起著至關重要的作用，是未來促進耐鹽小麥育種的寶貴基因資源。
離子/分子流實驗處理
100 mM NaCl處理1 h
離子/分子流實驗結果
為了更好地了解Na+和K+的動態變化，使用非損傷微測技術（NMT）來監測轉基因和WT水稻根尖的Na+和K+流速。100 mM NaCl處理1 h后，所有測試的幼苗均顯示出Na+外排。Na+在轉基因水稻中的外排速率遠高于WT（圖1a）。同時，轉基因水稻幼苗顯示出K+內流，野生稻幼苗顯示出K+外排（圖1b）。因此，TaPUB15-D在水稻中的過表達明顯增加了在鹽脅迫下保K+和排Na+的能力。較低的Na+/K+比值確保轉基因植株在高鹽度條件下具有更好的耐鹽性。
圖1. 轉基因水稻在鹽脅迫下Na+和K+的流速變化情況
其他實驗結果
- 3個TaPUB15同源基因均高度保守。
- TaPUB15-D定位在細胞核和細胞質中。
- TaPUB15在幼苗根系表達量高，其次是幼苗葉片、抽穗期根系和萌發期和幼苗期的根基部。在抽穗的節、莖和旗葉中表達量低。
- 在250 mM NaCl、50 μM ABA和4°C低溫處理下，TaPUB15被強烈激活，但在16.1% PEG處理下TaPUB15被激活程度較低。
- TaPUB15-D過表達導致轉基因水稻的根更長、更多。
- TaPUB15-D在水稻中的過表達增強了其耐鹽性。
- 轉基因株系中OsP5CS1的轉錄水平與WT相比增加了近4倍。鉀轉運基因OsHKT1;1的表達被鹽脅迫顯著誘導。
- TaPUB15-D的過表達減少了Na+的積累，使水稻轉基因株系在鹽堿條件下保持相對較低的Na+/K+比值。
- TaPUB15-D的過表達增強了轉基因擬南芥的耐鹽性。
結論
作為世界上廣泛種植的谷類作物，小麥是人類的主食，在糧食安全中起著至關重要的作用，但高鹽，干旱和其他非生物脅迫嚴重限制了小麥的高產和穩產。為了應對非生物脅迫，植物物種已經進化出多種響應機制。本研究發現了一個U-box E3泛素連接酶基因TaPUB15，它可以改變轉基因水稻的根系結構，使其根系更深、更多，提高水稻和擬南芥的耐鹽性。因此，TaPUB15是一種有價值的基因資源，可以用于提高小麥的耐鹽性，也可能用于其他作物。
測試液
0.1 mM NaCl, 0.1 mM KCl, pH 5.7
儀器采購信息
- 據中關村NMT產業聯盟了解：
- 中國農業科學院茶葉研究所于2015年采購了旭月（北京）科技有限公司的非損傷微測系統。
- 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所分別于2018年、2020年采購了旭月（北京）科技有限公司的非損傷微測系統。
- NMT能為農業環境研究貢獻什么?|旭月中標農科院環發所
關鍵詞：離子穩態，根系構型，鹽脅迫, TaPUB15, U-Box E3