该文来源：植物学报报道

蒙古冰草(Agropyron mongolicum)是我国北方代表性的多年生牧草之一,具有较强的耐寒、耐旱能力。作为重要的生态牧草资源,蒙古冰草基因组中含有大量与抗逆性和牧草品质相关的关键基因,深入挖掘蒙古冰草基因资源,对于通过分子育种技术改良禾本科牧草品质和提高抗逆性具有重要意义。

木质素是植物细胞壁的重要组分,通过网状交织赋予细胞壁强度,支撑植物生长,影响植物生长发育,在植物应对生物/非生物胁迫过程中具有重要作用。植物咖啡酸氧甲基转移酶(caffeic acidO-methyltransferase, COMT)参与木质素和褪黑素生物合成,在调节植物生长、品质和抗逆性中发挥重要功能。

本研究通过分析蒙古冰草全长转录组数据,从蒙古冰草中克隆了COMT候选基因AmCOMT1。该基因在茎秆和根等木质素含量高的组织中高表达,其表达受到多种非生物胁迫诱导。在拟南芥野生型(Col-0)和突变体(omt1-2)中表达AmCOMT1,显著促进了转基因拟南芥木质素的合成,使突变体的木质素单体和组分恢复到野生型水平,同时Col-0/35S:AmCOMT1中的木质素总量提高11%。另外,AmCOMT1过表达也显著提高了Col-0/35S:AmCOMT1转基因拟南芥中褪黑素的含量。在盐胁迫条件下,该株系平均根长相比野生型拟南芥提高了20.3%,表现出更高的抗逆性。

本研究通过同源克隆获得了蒙古冰草候选咖啡酸氧甲基转移酶基因AmCOMT1,对大肠杆菌异源表达的rAmCOMT1重组蛋白的活性分析表明,该蛋白能够以木质素前体咖啡酸、咖啡醇和5-羟基松柏醇为底物,而不能催化褪黑素合成前体N-乙酰血清素(N-乙酰-5-羟色胺, NAS)的甲基化。进一步在拟南芥野生型Col-0和omt1-2突变体中过表达该基因,对获得的转基因材料进行木质素染色分析以及木质素含量和组分测定,结果表明,AmCOMT1参与拟南芥的木质素合成过程。对褪黑素合成基因的表达量分析结果表明,AmCOMT1过表达诱导拟南芥自身褪黑素合成基因的表达,导致转基因株系中褪黑素含量显著提高。

图4转基因拟南芥的表型和木质素染色分析

图6过表达AmCOMT1对转基因拟南芥褪黑素合成和耐盐性的影响

本研究鉴定的蒙古冰草AmCOMT1基因在木质素和褪黑素合成中发挥关键作用,过量表达AmCOMT1基因促进褪黑素合成,提高转基因拟南芥的抗逆性,因此在蒙古冰草等单子叶牧草遗传改良方面具有重要的应用潜力。

作者介绍

内蒙古农业大学草原与资源环境学院杜锦瑜为该论文的第一作者,内蒙古农业大学赵彦及中国科学院青岛生物能源与过程研究所能源作物分子育种研究组付春祥和何峰为该论文的通讯作者。相关工作得到内蒙古自治区种业科技创新重大示范工程揭榜挂帅项目(No.2022JBGS0014)、中央引导地方科技发展资金(No.2022ZY006)和呼和浩特市科技创新领域人才项目(政产学研推用银创新联合体项目) (No.2022RC-联合体-2)山东能源研究院科研创新基金(No.SEI I202142)资助。

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杜锦瑜, 孙震, 苏彦龙, 王贺萍, 刘亚玲, 吴振映, 何峰, 赵彦, 付春祥(2024).蒙古冰草咖啡酸氧甲基转移酶基因AmCOMT1的鉴别和功能研究. 植物学报59, 1–12.  doi: 10.11983/CBB24013

作者之声

第一作者分享

自我介绍:我是杜锦瑜, 硕士就读于内蒙古农业大学, 硕士期间在中国科学院青岛生物能源与过程研究所能源作物分子育种研究组进行联合培养, 课题主要研究内容为冰草抗逆基因挖掘和种质资源创制。

最崇拜的科学家:我最崇拜的是草原女科学家——云锦凤教授, 虽年过花甲却依然执着耕耘于草业科学领域, 她不仅是我国草业科学领域的领军人物、牧草育种科学的学科带头人, 更是我个人从事草业育种方向的指引者, 让我明白功在当下草业, 利在春秋兴勃。

论文写作心路历程:本论文是在付春祥老师、何峰老师的悉心指导下完成的,从文章的选题、研究方案设计与实施到论文的撰写与修改,全都凝聚着导师的教诲。同时,赵彦导师在生活上和工作上给予我极大的关怀和支持,为我提供了良好的学习和研究环境,老师们的帮助将永远激励我在以后的人生道路上勇于开拓。

本篇论文是本人第一篇一作文章, 不仅从实验设计到论文撰写经历了从无到有的过程, 更对我个人的科研思路起到了启发作用。在这一过程中, 我深刻体会到要做好一件事除了付出努力之外, 还需要在过程中不断学习和总结, 一件事的成功, 需要太多人的指导、帮助、理解和支持。最后, 感谢期刊编辑部各位老师和审稿专家的审阅和建议。

通讯作者1介绍

赵彦, 内蒙古农业大学教授, 博士生导师。2015.8–2016.8 美国The Samuel Roberts Noble Foundation 访问学者, 从事禾本科牧草遗传改良研究。于2003年7月–2010年8月在内蒙古农牧业科学院工作。2010年8月至今在内蒙古农业大学草原与资源环境学院工作。内蒙古遗传学会会员, 先后主持和参加多项国家和省部级科研项目。发表论文50余篇, 培育草品种5个。

研究方向

(1) 高级草类遗传育种学

(2) 牧草栽培与种子生产

(3) 牧草及饲料作物遗传育种学

通讯作者2介绍

付春祥, 研究员, 博士生导师, 2007年获得中科院植物研究所博士学位, 2007年–2011年在美国The Samuel Roberts Noble Foundation从事能源植物和牧草的遗传改良和分子设计博士后研究。代表性成果30余篇发表在PNAS、Plant Cell、Biotechnol Biofuels、Plant Biotechnology、Plant Physiology、New Phytologist等期刊。

研究团队

中国科学院青岛生物能源与过程研究所能源作物分子育种研究组, 主要围绕能源与牧草作物(柳枝稷、玉米和苜蓿)的生物量和品质进行遗传改良和分子育种研究。先后建立了高效稳定的柳枝稷、玉米和苜蓿遗传转化平台。

研究方向

(1)能源植物和重要农业经济作物(包括玉米、柳枝稷、芒草及其它能源草、牧草)的遗传改良和分子设计

(2)植物酚酸类生物活性物质的代谢工程和开发利用

(3)先进生物技术在转基因作物生物安全性中的应用

通讯作者3介绍

何峰, 中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员, 青岛市高层次人才。主持和参与了多项国家级和省部级重要研究课题, 在相关领域发表SCI论文10余篇, 申请专利3项。

研究方向

(1)能源和牧草作物分子育种

(2)基因编辑技术开发, 植物基因编辑精准设计分子育种

(3)分子检测技术开发等

关于植物学报

《植物学报》创刊于1983年，双月刊，是由中国科学院植物研究所和中国植物学会主办的综合性中文学术期刊。《植物学报》以及时、准确地反映我国植物科学领域最新研究成果和系统评述国际植物科学最新进展为基本定位，主要发表植物科学各领域(包括农学、林学和园艺学等)原创性的且具有重要学术价值的研究成果。栏目设置包括主编评述、热点评述、特邀专家方法、研究论文、研究报告、技术方法、特邀综述、专题论坛和教学研讨。2022年核心影响因子1.368(在植物类中文期刊排名第3)。总被引频次为1745, 综合评价总分排名第6。2023年，我刊网站的PDF下载量达57万次。入选北京大学《中文核心期刊要目总览》2023年版，中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊（2023-2024），中国科协《植物科学领域高质量期刊分级目录》高质量中文期刊（2023），《世界期刊影响力指数（WJCI）报告（2023科技版）》。

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