盐胁迫和干旱胁迫对农作物产量造成严重影响。鉴定关键的耐盐抗旱基因并将应用于分子设计育种，培育耐盐抗旱农作物品种，有助于有效利用盐碱地等贫瘠土地，对粮食安全的保障具有重要意义。甘薯作为重要的粮食、饲料和新型生物能源作物，具有耐贫瘠、高产、富含营养物质的特点。提高甘薯对盐旱胁迫的耐受性有助于充分利用广阔的盐碱贫瘠土地资源。先前的研究指出，JA信号转导途径在甘薯耐盐品系ND98中发挥关键作用，但其内在的分子调控机制尚未被揭示。在甘薯中，关于转录和转录后过程对非生物胁迫响应的调控机制仍然不明确。
近日，JIPB在线发表了中国农业大学农业农村部甘薯生物学与生物技术重点实验室何绍贞/张欢课题组题为“IbNIEL-mediated degradation of IbNAC087 regulates JA-dependent salt and drought tolerance in sweet potato”的研究论文，揭示了IbNIEL-IbNAC087通过调控JA途径影响甘薯耐盐抗旱性的分子机制。该研究整合了多个甘薯耐盐抗旱种质的转录组数据，筛选出了抗逆甘薯种质中共有的盐旱应答核心基因IbNAC087。IbNAC087作为核定位的转录激活子，直接激活JA合成相关基因IbLOX和IbAOS的表达，提高JA含量。相较于野生型，IbNAC087过表达的甘薯植株中，JA信号途径介导的气孔关闭和ROS清除更为强烈，从而增强了耐盐抗旱性，使其能够在200 mM NaCl胁迫下保持稳定的生长势。
此外，研究还发现，对于盐敏感的甘薯品种，RING型E3泛素连接酶IbNIEL能够泛素化IbNAC087，促使其通过26S蛋白酶体途径介导的蛋白降解，降低其蛋白稳定性，导致甘薯的耐盐抗旱性减弱。通过对IbNIEL基因功能的鉴定，发现IbNIEL对甘薯的耐盐抗旱性起到了负调控的作用。
该研究首次揭示了泛素化修饰在甘薯中参与调控耐盐抗旱性的分子机制。研究发现，抗逆甘薯种质中共有的盐旱应答核心基因IbNAC087以及在盐敏感甘薯品种中的负调控因子IbNIEL，可被视为基因编辑改良的重要靶点。这些发现在甘薯抗逆性的分子设计育种中具有巨大的应用潜力，对于在盐碱地上种植利用高产甘薯具有重要意义。
图1. IbNIEL-IbNAC087调控甘薯耐盐抗旱性的工作模式图
中国农业大学农学院甘薯生物学与生物技术重点实验室何绍贞教授和张欢副教授为该论文通讯作者，课题组博士后李旭、已毕业博士生王祯和孙思凡为该论文的共同第一作者。刘庆昌教授、翟红教授、田丰教授、高少培副教授、赵宁高级实验师对该工作进行了指导和帮助。本研究得到了中国农业大学三亚研究院的大力支持和帮助，获得了国家重点研发计划、北京自然科学基金、粮食作物产业技术体系北京市创新团队、三亚崖州湾科技城管理局“菁英人才”科技专项、国家甘薯产业技术体系、中国农业大学基本科研业务费专项等项目的资助。