小麦铜转运蛋白TaCT1在干旱胁迫响应和条锈病抗性过程中的功能和分子机制研究

Copper (Cu) is one of essential micronutrient for organism. As a cofactor for many functional proteins, Cu is involved in a wide range of physiological processes such as photosynthesis, superoxide scavenging and oxidative phosphorylation. Thus, the homeostasis of Cu is vital to plant normal growth and development. In our previous studies, we identified a novel copper transporter family TaCT1 in common wheat. The predicted TaCT1 proteins contained 12 transmembrane domains and had typical features of major facilitator superfamily (MFS).The function analysis in yeast and wheat demonstrated that the TaCT1 facilitated Cu ion absorption and transport under the excessive Cu ion stress condition. Real-time PCR analysis indicated that the transcript levels of TaCT1s were up-regulated by PEG mimic drought and stripe rust fungus infection. Leaf water loss analysis revealed that the water loss rate of TaCT1 knocking down wheat seedlings was remarkably lower than the control ones. Corresponding to growing status, the fresh weight of seedlings with down-regulated TaCT1 expression was significantly higher than the control ones.After strip rust fungus infection, the wheat variety Suwon 11 seedlings knocking-down TaCT1 expression by BSMV-VIGS lost resistance to CYR17. These data provided preliminary evidences for copper transporter protein TaCT1 involving biotic and abiotic stresses. Based on the previous study, in this project, we plan to further analyze the biological function and signalling pathway of TaCT1 in drought tolerance and stripe rust resistance processes by RNA sequencing and transgenic technigues. The aims of this study are to explore the molecular mechanisms in wheat response to drought stress and stripe rust infection, and evaluate the breeding effictiveness of TaCT1.

在植物中，铜离子作为许多功能蛋白的辅因子参与多种重要的生理过程。在以前的研究中，我们在普通小麦中发现一类单子叶植物特有的新型铜离子转运蛋白家族TaCT1。功能分析证明，在过量铜离子胁迫情况下，TaCT1能够提高酵母和小麦细胞的铜离子转运能力，从而调控细胞中的铜离子平衡。我们最近的研究发现，TaCT1s基因的表达还受干旱胁迫和条锈菌侵染的调控。利用病毒诱导的基因沉默技术降低TaCT1s基因的表达后，在PEG 6000模拟干旱处理下，小麦叶片的失水速率显著降低，生长状况明显优于对照；降低TaCT1基因的表达使小麦品种水源11丧失了对条锈菌小种CYR17的抗性。本研究拟在此工作的基础上，利用转录组测序及转基因等技术进一步研究TaCT1参与小麦干旱胁迫响应和条锈病抗性的生理过程和信号通路，揭示TaCT1基因在小麦响应干旱和条锈菌胁迫过程中的生物学功能和分子机制，并评价其育种应用价值。

在植物中，铜离子作为许多功能蛋白的辅因子参与多种重要的生理过程。在之前的研究中，我们在普通小麦中发现一类单子叶植物特有的新型铜离子转运蛋白家族TaCT1，TaCT1能够提高酵母和小麦细胞的铜离子转运能力，从而调控细胞中的铜离子平衡。利用病毒诱导的基因沉默技术和RNAi转基因降低TaCT1基因的表达后导致小麦植株对干旱胁迫更加敏感，同时丧失了对于条锈病菌的抗性。转基因过表达TaCT1-5A基因可以提高小麦苗期的抗干旱能力和在铜离子存在的情况下小麦对于条锈病菌的抗性。通过转录组测序分析，我们获得了20个受TaCT1基因调控的候选基因进行了进一步的实验。结果表明，转录因子TabHLH13能够正向调控小麦条锈病和白粉病抗性，下调TabHLH13基因的表达使得小麦减弱了产生过氧化氢的能力，并丧失了对于条锈病和白粉病菌的抗性，而提高TabHLH13基因的表达可以提高小麦抑制白粉菌丝生长的能力；TaEDS1基因能够参与小麦白粉病抗性通路，下调TaEDS1基因的表达使得小麦品种山疙瘩丧失了对于白粉病菌的抗性，在拟南芥中过表达TaEDS1可以显著提高拟南芥的白粉病抗性；Trihelix转录因子家族中GTγ亚家族中一个成员TuGTγ-3的下调表达使得小麦丧失了对于条锈病的抗性，而其他亚家族成员在条锈病抗性方面作用并不显著；TaSPX-MFS基因则参与小麦条锈病的高温诱导抗性反应，并能够与细胞自噬蛋白TaATG8相互作用参与细胞坏死过程。综上所述，新型铜离子转运蛋白TaCT1不仅可以提高铜离子的转运活性，也能够正向调控小麦对于条锈病的抗性和对于干旱胁迫的响应。对于逆境胁迫的响应可能是通过下游如TabHLH13、TaEDS1、TuGTγ-3和TuGTγ-3等多种信号组分来完成。本研究通过研究TaCT1及其调控的相关基因在小麦抗病和抗干旱信号途径中的功能为小麦抗逆防御提供了新的基因资源。