本網(wǎng)訊 近日，我校茶樹(shù)種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋傳奎教授團(tuán)隊(duì)攜手中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所葉萌研究員，在植物學(xué)經(jīng)典期刊《Plant Biotechnology Journal》發(fā)表了題為“Cold stress-induced (Z)-3-hexenol and thymol enhance cold tolerance of tea plants by activating Ca2+ signaling”的研究論文。該研究首次在茶樹(shù)中建立了葉片原生質(zhì)體的高頻鈣檢測(cè)系統(tǒng)，揭示了鈣信號(hào)在揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）介導(dǎo)的茶樹(shù)抗寒響應(yīng)中的關(guān)鍵作用。基于該系統(tǒng)，鑒定出兩種可顯著增強(qiáng)茶樹(shù)耐寒性的VOCs——(Z)-3-己烯醇與麝香草酚，并證明它們通過(guò)激活細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)提升茶樹(shù)的抗寒能力。該技術(shù)不僅為茶樹(shù)抗逆機(jī)制研究提供了重要工具，也為其他難以穩(wěn)定轉(zhuǎn)基因的作物開(kāi)展相關(guān)研究提供了可行方案。被篩選出的功能性VOCs成分有望成為作物抗逆育種與綠色防控的新候選小分子，對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
植物釋放的VOCs是植物間信息傳遞的重要分子，可在脅迫預(yù)警、抗逆防御和繁殖等過(guò)程中發(fā)揮核心作用。大量研究顯示，鄰近植物釋放的揮發(fā)物可以幫助健康植株提高對(duì)低溫、干旱等非生物脅迫以及植食昆蟲(chóng)等生物脅迫的抵御能力。過(guò)去二十年間，這類(lèi)信號(hào)交流現(xiàn)象在多種物種中被廣泛觀(guān)察到，體現(xiàn)了其重要的生態(tài)學(xué)功能和意義。然而，許多功能性VOCs的具體作用成分及其抗逆機(jī)制仍有待深入解析。
已有研究提示，Ca2+信號(hào)在VOCs誘導(dǎo)的防御反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。部分揮發(fā)物能夠促使細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平上升，并通過(guò)上調(diào)鈣解碼蛋白（如CaMs、CMLs、CDPKs、CBLs等）來(lái)啟動(dòng)下游信號(hào)通路。本研究首次證實(shí)，冷誘導(dǎo)的VOCs通過(guò)激活細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)通路，直接參與并調(diào)控茶樹(shù)的耐寒響應(yīng)（圖1）。此前Aratani等人利用轉(zhuǎn)基因擬南芥與GCaMP3鈣傳感器，發(fā)現(xiàn)某些綠葉揮發(fā)物可在擬南芥中誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的瞬時(shí)升高，為研究VOCs的信號(hào)機(jī)制研究提供了強(qiáng)有力的工具。然而，該轉(zhuǎn)基因熒光成像方法過(guò)分依賴(lài)于穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系與高質(zhì)量熒光成像，對(duì)葉片表皮有厚蠟質(zhì)層且難以轉(zhuǎn)化的物種（如茶樹(shù)）并不適用。因此，開(kāi)發(fā)一種更為通用、適用于難轉(zhuǎn)化植物的Ca2+檢測(cè)方案具有迫切需求。
圖1鈣信號(hào)參與VOCs誘導(dǎo)的茶樹(shù)抗寒能力提升
針對(duì)該技術(shù)瓶頸，本團(tuán)隊(duì)基于“VOCs可能通過(guò)Ca2+信號(hào)通路調(diào)控植物抗寒”的科學(xué)假設(shè)，利用鈣特異性熒光染料Fluo-8，在茶樹(shù)葉片原生質(zhì)體中建立了秒級(jí)高頻的Ca2+檢測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。借助該平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)在冷脅迫誘導(dǎo)的VOCs中篩選出(Z)-3-己烯醇和麝香草酚為細(xì)胞Ca2+信號(hào)的高效激活劑（圖2）。
圖2. 冷誘導(dǎo)VOCs激發(fā)茶樹(shù)葉片原生質(zhì)體細(xì)胞Ca2+響應(yīng)
功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，這兩種揮發(fā)物處理后，茶樹(shù)中關(guān)鍵冷響應(yīng)基因（如CsICE1、CsCBF1、CsCBF2）表達(dá)顯著上調(diào)，抗氧化酶活性（超氧化物歧化酶SOD、過(guò)氧化物酶POD）提高，光合系統(tǒng)功能得到更好維持，茶樹(shù)對(duì)低溫脅迫的耐受性顯著增強(qiáng)。藥理學(xué)抑制實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證，通過(guò)Ca2+抑制劑可阻斷上述基因與生理響應(yīng)，表明Ca2+信號(hào)在該過(guò)程中的必要性。通過(guò)反義寡核苷酸介導(dǎo)的基因沉默實(shí)驗(yàn)，研究還鑒定出CsCDPK4是VOCs誘導(dǎo)的Ca2+信號(hào)解碼并轉(zhuǎn)導(dǎo)為下游抗寒反應(yīng)的關(guān)鍵分子，其沉默會(huì)削弱VOCs帶來(lái)的保護(hù)效應(yīng)（圖3），從而明確了Ca2+信號(hào)在茶樹(shù)VOCs感知與冷防御機(jī)制中的重要地位。
圖3. CsCDPK4在(Z)-3-己烯醇和麝香草酚誘導(dǎo)的茶樹(shù)抗寒中發(fā)揮關(guān)鍵作用
提高作物低溫耐受力一直是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。VOCs作為一種天然的應(yīng)激響應(yīng)介質(zhì)，因其易于非接觸誘導(dǎo)與潛在的綠色防控特性，近年來(lái)備受關(guān)注。本研究通過(guò)整合化學(xué)生態(tài)學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新，填補(bǔ)了VOCs在冷脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究中的關(guān)鍵空白（圖4）。所建立的原生質(zhì)體Ca2+檢測(cè)體系有效克服了以往基于轉(zhuǎn)基因熒光探針在難轉(zhuǎn)化植物中應(yīng)用的技術(shù)限制，不僅為茶樹(shù)抗逆機(jī)制研究提供了重要工具，也為其他作物的類(lèi)似研究提供了可復(fù)制的技術(shù)路線(xiàn)?；谠撓到y(tǒng)篩選出的功能性VOCs，可作為作物抗逆育種和綠色防控的候選小分子，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新思路。
圖4. 冷誘導(dǎo)的(Z)-3-己烯醇與麝香草酚增強(qiáng)茶樹(shù)抗寒能力的機(jī)制模型圖
本研究由我校茶樹(shù)種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所合作完成。我校博士后劉源濤為論文第一作者，宋傳奎教授與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所葉萌研究員為共同通訊作者。我校王強(qiáng)副教授、荊婷婷副教授和德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)Wilfried Schwab教授也參與了研究工作。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助支持（文圖：劉源濤 初審：宋傳奎 復(fù)審：鄭雪林 終審：曹雷）。
