高粱是世界上五大禾本科作物之一，作為原材料廣泛用于食品、飼草、釀酒和生物能源等多個產(chǎn)業(yè)。雖然高粱具有較強的耐旱能力，但干旱脅迫仍是限制高粱產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素。在干旱條件下，高粱早期死亡或嚴重的生長抑制容易發(fā)生在種子的萌發(fā)、出苗和苗期生長階段。在生殖生長階段，水分的缺乏將會顯著推遲開花期，嚴重影響花序的發(fā)育和新葉的產(chǎn)生。在花序發(fā)育階段，水分缺乏將導致每個花序的籽粒數(shù)量減少，而開花后的水分缺乏將會直接導致產(chǎn)量減半。因此，通過抗旱研究培育出耐旱高產(chǎn)的高粱品種，對于提高干旱條件下的高粱產(chǎn)量具有重要意義。然而，目前關(guān)于高粱適應(yīng)干旱的分子機制研究仍然十分匱乏。

近日，南京大學孫博教授課題組與南京農(nóng)業(yè)大學王秀娥教授課題組合作在Plant, Cell & Environment在線發(fā)表題為SbWRKY50promotes drought tolerance of sorghum by regulating lateral root formation的研究論文，解析了SbWRKY50調(diào)控高粱耐旱性的分子機制。

該研究首先發(fā)現(xiàn)SbWRKY50在高粱根和幼葉中表達水平最高。通過觀察野生型、SbWRKY50敲除高粱（SbWRKY50-KO）以及SbWRKY50過表達高粱（SbWRKY50-OE）的根部發(fā)育情況，研究人員發(fā)現(xiàn)SbWRKY50-OE高粱的側(cè)根數(shù)量和側(cè)根長度顯著增加。實驗室前期研究結(jié)果表明SbWRKY50參與乙烯信號通路（Chen et al., 2023, New Phytologist）。與野生型相比，乙烯合成相關(guān)基因SbACS1、SbACS2 和SbACS7的表達水平在SbWRKY50-OE的根中顯著降低，在SbWRKY50-KO中顯著升高，表明SbWRKY50可以通過抑制乙烯合成，促進高粱側(cè)根形成。

進一步研究發(fā)現(xiàn)， SbWRKY50通過與PRC1復合體中的SbBMI1A互作，招募PRC1復合體至SbACS1、SbACS2 和SbACS7的啟動子區(qū)域，從而引起SbACSs基因上H2Aub富集，抑制它們在根系中的表達并促進側(cè)根形成。側(cè)根發(fā)育是評價植物耐旱的一個重要指標。干旱處理結(jié)果表明，SbWRKY50-OE幼苗的耐旱能力明顯強于野生型，而SbWRKY50-KO弱于野生型。同時，SbWRKY50-OE高粱相對于野生型在干旱處理后側(cè)根數(shù)目顯著增多，側(cè)根長度顯著增長；而SbWRKY50-KO高粱側(cè)根數(shù)目顯著減少，側(cè)根長度顯著縮短。

研究人員隨即進行了田間大棚溫室干旱實驗。在干旱處理下，SbWRKY50-OE高粱比野生型以及SbWRKY50-KO高粱具有更高的綠葉/黃葉比，且其鮮重、干重、每穗粒數(shù)和百粒重均顯著高于野生型和SbWRKY50-KO高粱。因此，SbWRKY50能夠在保持籽粒產(chǎn)量與生物量的基礎(chǔ)上顯著增強高粱在田間的耐旱能力。

圖1SbWRKY50通過抑制乙烯合成調(diào)控高粱耐旱性的作用機制

綜上，該研究揭示了一種由SbWRKY50介導的高粱耐旱分子調(diào)控機制（圖1）。研究結(jié)果一方面為高粱耐旱育種提供了關(guān)鍵基因資源，也有助于揭示植物耐旱的共性規(guī)律，為改良其他作物的抗旱性提供新的潛在靶點。

南京大學孫博教授、南京大學陳煒助理教授和南京農(nóng)業(yè)大學王秀娥教授為該論文共同通訊作者。南京大學陳煒助理教授以及南京農(nóng)業(yè)大學王宗寬副研究員為該論文共同第一作者。南京大學楊永華教授以及淮陰師范學院陸桂華研究員等參與了該研究工作。該課題得到了南京大學隊伍建設(shè)科研啟動經(jīng)費、南京農(nóng)業(yè)大學作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國重點實驗室開放課題、以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1111/pce.70264