2023年3月4日《The Plant Journal》杂志在线发表了我院陈学好教授领衔的黄瓜遗传育种与分子生物学创新团队的研究论文“A CsEIL3-CsARN6.1 module promotes waterlogging-triggered adventitious root formation in cucumber by activating CsPrx5 expression”。该研究首次揭示了AAA-ATPase（ATPase associated with various cellular activities）蛋白CsARN6.1通过与过氧化物酶蛋白CsPrx5互作以促进涝胁迫下黄瓜不定根形成的分子机制。

黄瓜是我国栽培的主要蔬菜之一，其根系入土浅、通气组织不发达、极易受到淹涝胁迫危害，造成产量损失和品质下降。不定根是植物对淹涝胁迫最重要的适应能力之一，它代替了由于淹涝导致的初生根死亡，有利于受涝器官获得氧气。实验室前期在黄瓜Chr6上精细定位到1个淹涝胁迫下不定根数的主效QTLARN6.1，结合qRT-PCR、原核表达、拟南芥转基因、黄瓜过表达等工作，明确了一个编码AAA-ATPase蛋白、在植物体内具有结合并水解ATP功能的基因CsARN6.1为关键候选基因（Xu et al., The Plant Journal 2018）。然而有关CsARN6.1基因调控涝胁迫下黄瓜不定根形成的分子机制尚不清楚。

本研究首先利用Crisp-Cas9技术明确了CsARN6.1的突变抑制了涝胁迫下黄瓜不定根的形成（图1）。通过酵母单杂、EMSA、双荧光素酶实验明确了乙烯信号通路的关键转录因子CsEIL3与CsARN6.1启动子区域的ATGTATCT元件结合并激活其表达（图2）。与仅淹涝对照相比，外源乙烯前体ACC处理促进了CsEIL3与CsARN6.1的表达及不定根形；而乙烯合成抑制剂AOA处理则抑制了CsEIL3与CsARN6.1的表达及不定根形成。利用酵母双杂技术，以CsARN6.1蛋白为诱饵筛选与其互做的蛋白，结果显示共得到14个阳性克隆，包括一个编码过氧化物酶的基因CsPrx5。通过BiFC试验进一步明确了CsARN6.1与CsPrx5之间存在互作。VIGS实验发现，沉默CsPrx5的黄瓜植株涝胁迫后不定根形成能力显著下降（图3）。DAB染色及H₂O₂含量测定发现，过表达CsARN6.1和CsPrx5株系的H₂O₂含量均显著上升。涝胁迫下并用过氧化物酶抑制剂SHAM处理的黄瓜下胚轴不定根数显著下降，表明CsPrx5通过调控H₂O₂积累参与了对涝胁迫下黄瓜不定根形成的调控（图4）。上述研究结果为明确AAA-ATPase在黄瓜不定根形成过程中的分子调控网络和开展黄瓜耐涝新品种选育奠定了重要基础。

图1 基于Crisp-Cas9的CsARN6.1功能验证

图2 CsEIL3直接结合CsARN6.1基因启动子并激活该基因表达

图3 CsARN6.1与CsPrx5的互作关系鉴定

图4 CsPrx5通过调控H₂O₂积累以参与对不定根形成的调控

陈学好教授为本文通讯作者，许学文副教授为论文的第一作者，研究生刘梦瑶、胡启明、严雯静、潘佳伟、晏永明参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金（重点项目32030093；面上基金项目32172570与31972422；青年基金项目31801883）、江苏省种业振兴揭榜挂帅项目（JBGS[2021]018）、江苏省农业重大新品种创制（PZCZ201720）等项目的资助。