廣告驚蟄過后，辣椒進(jìn)入了育苗期。西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院教授陳儒鋼對(duì)去年夏季新疆辣椒的減產(chǎn)仍然耿耿于懷。
去年5月6日，正值立夏節(jié)氣，新疆多地出現(xiàn)罕見降雪，部分地區(qū)近60年來首次遭遇“五月飛雪”。降雪、降溫對(duì)新疆的辣椒生產(chǎn)造成重大損失，使之至少減產(chǎn)30%~40%。
如何讓起源于亞熱帶地區(qū)的辣椒不怕冷？陳儒鋼團(tuán)隊(duì)多年來一直專注于辣椒抗寒機(jī)制研究，并取得了多項(xiàng)進(jìn)展。最近，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子CaNAC035，可讓辣椒不再怕冷。相關(guān)成果在線發(fā)表于《植物雜志》和《園藝學(xué)研究》。
辣椒的前世今生
辣椒為一年生或多年生草本植物，栽培歷史悠久，遺傳多樣性豐富，野生、栽培種質(zhì)資源多，是全球消費(fèi)量最大的辛辣調(diào)味品。
大約7500—8000年前，辣椒從年降雨量不到500毫米的南美洲玻利維亞中南部起源。“這一帶屬于亞熱帶無霜區(qū)、半干旱氣候，所以到現(xiàn)在辣椒都屬于喜溫蔬菜，這從祖上基因就已經(jīng)注定了。”論文通訊作者陳儒鋼告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
早期，辣椒依靠飛鳥傳播種子，生長(zhǎng)區(qū)域從發(fā)源地玻利維亞逐漸擴(kuò)大到南美洲、中美洲，再到北美洲西南部，在不同生態(tài)區(qū)進(jìn)化產(chǎn)生10多個(gè)近緣野生種和約20個(gè)非近緣野生種。
陳儒鋼介紹，雖然辣椒傳入我國(guó)只有400多年，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速。目前，辣椒是我國(guó)種植面積最大的蔬菜和消費(fèi)量最大的辛辣調(diào)味品，年種植面積穩(wěn)定在210萬公頃以上，總產(chǎn)量達(dá)6400萬噸，占全國(guó)蔬菜總播種面積的8%~10%。
然而，每年的雨雪、超級(jí)寒潮、倒春寒等極端低溫冷害天氣，嚴(yán)重影響了辣椒的生長(zhǎng)及椒農(nóng)的生產(chǎn)效益。例如，2020年12月，受“霸王級(jí)”寒潮的影響，福建大面積的線椒幾乎一夜之間全部被凍死，農(nóng)民遭受了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
“挖掘辣椒優(yōu)異抗寒基因并解析其調(diào)控機(jī)理，能夠?yàn)槔苯返目购肿佑N提供理論依據(jù)和基因資源，這對(duì)辣椒產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)，在保障蔬菜周年均衡供應(yīng)和豐富飲食口味方面也能發(fā)揮重要作用。”陳儒鋼說。
辣椒為何如此怕冷
陳儒鋼課題組發(fā)現(xiàn)，辣椒的抗寒性是受多基因控制的復(fù)雜性狀，涉及的基因調(diào)控途徑非常多，還會(huì)與其他環(huán)境脅迫因子發(fā)生交叉作用，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)育種方法在改良作物抗寒性方面受到限制，也使通過轉(zhuǎn)入單個(gè)抗寒功能基因來獲得作物的高抗寒性有較高的難度。
不過，他們轉(zhuǎn)變思路發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子作為分子開關(guān)可以與基因啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件結(jié)合，直接調(diào)節(jié)下游功能基因的表達(dá)，還可以通過調(diào)控其他轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)進(jìn)而影響下游一系列功能基因的表達(dá)。于是，他們?cè)O(shè)想，通過生物技術(shù)使一個(gè)特定轉(zhuǎn)錄因子在作物體內(nèi)過量表達(dá)或沉默，從而提高植株綜合抗逆性。
論文第一作者、西北農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院博士生張華鋒介紹，前期他們圍繞辣椒NAC轉(zhuǎn)錄因子家族做了大量工作，并在辣椒基因組中鑒定出112個(gè)CaNAC成員。
通過分類，課題組研究發(fā)現(xiàn)，CaNAC035基因受低溫強(qiáng)烈誘導(dǎo)，并且在抗寒辣椒材料中的表達(dá)量顯著高于在不抗寒辣椒材料中的表達(dá)量。
同時(shí)，該基因還受脫落酸強(qiáng)烈誘導(dǎo)表達(dá)。脫落酸是一種重要的植物激素，在植物的脅迫耐受性和抗性中發(fā)揮重要作用。在脅迫條件下，脫落酸會(huì)調(diào)控植物關(guān)閉氣孔。通過研究植物氣孔開放和閉合的規(guī)律，可以從另一個(gè)角度研究植物的逆境脅迫現(xiàn)象。
陳儒鋼團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過正反兩方面功能驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該基因表達(dá)量降低后，辣椒植株抗寒性降低；而在辣椒中超量表達(dá)該基因后，植株的抗寒性增強(qiáng)。
通過進(jìn)一步研究，他們發(fā)現(xiàn)低溫脅迫誘導(dǎo)CaNAC035基因啟動(dòng)下游基因表達(dá)，提高植物體內(nèi)脫落酸的含量，進(jìn)而提高植株的抗寒性。
繼續(xù)“不怕冷”的研究
“CaNAC035基因在辣椒低溫脅迫中具有重要的抗寒功能，一旦控制了這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，將有可能大大提高辣椒的抗寒能力，使其不再懼怕天寒地凍，進(jìn)而擴(kuò)大辣椒的種植范圍、延長(zhǎng)栽培時(shí)間。”張華鋒說。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張俊紅評(píng)價(jià)說，該研究明確了轉(zhuǎn)錄因子CaNAC035在辣椒低溫脅迫中的功能，并闡明了其在冷應(yīng)激耐受性中的正調(diào)節(jié)作用。該團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)了該轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控辣椒冷脅迫方面的分子作用機(jī)制。這些研究成果能夠?yàn)槔苯返哪秃苑肿佑N提供理論依據(jù)和基因資源，有利于破解辣椒產(chǎn)業(yè)亟待解決的抗逆性難題，對(duì)辣椒產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。
“我們的研究發(fā)現(xiàn)，CaNAC035啟動(dòng)的植物體內(nèi)脫落酸含量調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，能夠提高辣椒的耐寒性。但是在這一調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中仍有很多未知的部分值得深入研究。”陳儒鋼說。
他表示，團(tuán)隊(duì)將以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究上游調(diào)控基因及互作蛋白，深入闡明調(diào)控辣椒耐寒性的分子機(jī)理，為今后利用基因編輯手段進(jìn)行分子育種提供理論支撐，并創(chuàng)制耐寒辣椒新種質(zhì)，育成耐寒辣椒新品種，以解決耐寒辣椒品種匱乏的問題。（李晨 周天弘）
驚蟄過后，辣椒進(jìn)入了育苗期。西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院教授陳儒鋼對(duì)去年夏季新疆辣椒的減產(chǎn)仍然耿耿于懷。
去年5月6日，正值立夏節(jié)氣，新疆多地出現(xiàn)罕見降雪，部分地區(qū)近60年來首次遭遇“五月飛雪”。降雪、降溫對(duì)新疆的辣椒生產(chǎn)造成重大損失，使之至少減產(chǎn)30%~40%。
如何讓起源于亞熱帶地區(qū)的辣椒不怕冷？陳儒鋼團(tuán)隊(duì)多年來一直專注于辣椒抗寒機(jī)制研究，并取得了多項(xiàng)進(jìn)展。最近，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子CaNAC035，可讓辣椒不再怕冷。相關(guān)成果在線發(fā)表于《植物雜志》和《園藝學(xué)研究》。
辣椒的前世今生
辣椒為一年生或多年生草本植物，栽培歷史悠久，遺傳多樣性豐富，野生、栽培種質(zhì)資源多，是全球消費(fèi)量最大的辛辣調(diào)味品。
大約7500—8000年前，辣椒從年降雨量不到500毫米的南美洲玻利維亞中南部起源。“這一帶屬于亞熱帶無霜區(qū)、半干旱氣候，所以到現(xiàn)在辣椒都屬于喜溫蔬菜，這從祖上基因就已經(jīng)注定了。”論文通訊作者陳儒鋼告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
早期，辣椒依靠飛鳥傳播種子，生長(zhǎng)區(qū)域從發(fā)源地玻利維亞逐漸擴(kuò)大到南美洲、中美洲，再到北美洲西南部，在不同生態(tài)區(qū)進(jìn)化產(chǎn)生10多個(gè)近緣野生種和約20個(gè)非近緣野生種。
陳儒鋼介紹，雖然辣椒傳入我國(guó)只有400多年，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速。目前，辣椒是我國(guó)種植面積最大的蔬菜和消費(fèi)量最大的辛辣調(diào)味品，年種植面積穩(wěn)定在210萬公頃以上，總產(chǎn)量達(dá)6400萬噸，占全國(guó)蔬菜總播種面積的8%~10%。
然而，每年的雨雪、超級(jí)寒潮、倒春寒等極端低溫冷害天氣，嚴(yán)重影響了辣椒的生長(zhǎng)及椒農(nóng)的生產(chǎn)效益。例如，2020年12月，受“霸王級(jí)”寒潮的影響，福建大面積的線椒幾乎一夜之間全部被凍死，農(nóng)民遭受了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
“挖掘辣椒優(yōu)異抗寒基因并解析其調(diào)控機(jī)理，能夠?yàn)槔苯返目购肿佑N提供理論依據(jù)和基因資源，這對(duì)辣椒產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)，在保障蔬菜周年均衡供應(yīng)和豐富飲食口味方面也能發(fā)揮重要作用。”陳儒鋼說。
辣椒為何如此怕冷
陳儒鋼課題組發(fā)現(xiàn)，辣椒的抗寒性是受多基因控制的復(fù)雜性狀，涉及的基因調(diào)控途徑非常多，還會(huì)與其他環(huán)境脅迫因子發(fā)生交叉作用，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)育種方法在改良作物抗寒性方面受到限制，也使通過轉(zhuǎn)入單個(gè)抗寒功能基因來獲得作物的高抗寒性有較高的難度。
不過，他們轉(zhuǎn)變思路發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子作為分子開關(guān)可以與基因啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件結(jié)合，直接調(diào)節(jié)下游功能基因的表達(dá)，還可以通過調(diào)控其他轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)進(jìn)而影響下游一系列功能基因的表達(dá)。于是，他們?cè)O(shè)想，通過生物技術(shù)使一個(gè)特定轉(zhuǎn)錄因子在作物體內(nèi)過量表達(dá)或沉默，從而提高植株綜合抗逆性。
論文第一作者、西北農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院博士生張華鋒介紹，前期他們圍繞辣椒NAC轉(zhuǎn)錄因子家族做了大量工作，并在辣椒基因組中鑒定出112個(gè)CaNAC成員。
通過分類，課題組研究發(fā)現(xiàn)，CaNAC035基因受低溫強(qiáng)烈誘導(dǎo)，并且在抗寒辣椒材料中的表達(dá)量顯著高于在不抗寒辣椒材料中的表達(dá)量。
同時(shí)，該基因還受脫落酸強(qiáng)烈誘導(dǎo)表達(dá)。脫落酸是一種重要的植物激素，在植物的脅迫耐受性和抗性中發(fā)揮重要作用。在脅迫條件下，脫落酸會(huì)調(diào)控植物關(guān)閉氣孔。通過研究植物氣孔開放和閉合的規(guī)律，可以從另一個(gè)角度研究植物的逆境脅迫現(xiàn)象。
陳儒鋼團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過正反兩方面功能驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該基因表達(dá)量降低后，辣椒植株抗寒性降低；而在辣椒中超量表達(dá)該基因后，植株的抗寒性增強(qiáng)。
通過進(jìn)一步研究，他們發(fā)現(xiàn)低溫脅迫誘導(dǎo)CaNAC035基因啟動(dòng)下游基因表達(dá)，提高植物體內(nèi)脫落酸的含量，進(jìn)而提高植株的抗寒性。
繼續(xù)“不怕冷”的研究
“CaNAC035基因在辣椒低溫脅迫中具有重要的抗寒功能，一旦控制了這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，將有可能大大提高辣椒的抗寒能力，使其不再懼怕天寒地凍，進(jìn)而擴(kuò)大辣椒的種植范圍、延長(zhǎng)栽培時(shí)間。”張華鋒說。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張俊紅評(píng)價(jià)說，該研究明確了轉(zhuǎn)錄因子CaNAC035在辣椒低溫脅迫中的功能，并闡明了其在冷應(yīng)激耐受性中的正調(diào)節(jié)作用。該團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)了該轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控辣椒冷脅迫方面的分子作用機(jī)制。這些研究成果能夠?yàn)槔苯返哪秃苑肿佑N提供理論依據(jù)和基因資源，有利于破解辣椒產(chǎn)業(yè)亟待解決的抗逆性難題，對(duì)辣椒產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。
“我們的研究發(fā)現(xiàn)，CaNAC035啟動(dòng)的植物體內(nèi)脫落酸含量調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，能夠提高辣椒的耐寒性。但是在這一調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中仍有很多未知的部分值得深入研究。”陳儒鋼說。
他表示，團(tuán)隊(duì)將以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究上游調(diào)控基因及互作蛋白，深入闡明調(diào)控辣椒耐寒性的分子機(jī)理，為今后利用基因編輯手段進(jìn)行分子育種提供理論支撐，并創(chuàng)制耐寒辣椒新種質(zhì)，育成耐寒辣椒新品種，以解決耐寒辣椒品種匱乏的問題。（李晨 周天弘）
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