木薯（manihot esculenta crantz）是一种重要的热带作物，是热带和亚热带干旱地区的主要粮食作物之一。干旱胁迫严重影响木薯的产量和品质。鉴定木薯中重要的抗旱基因，对于培育抗旱高产木薯新品种具有非常重要的意义。2022年9月1日，中国热带农业科学院热带生物技术研究所功能基因研究组的最新研究成果，在学术期刊plant biotechnology journal上发表，文章题目为 “a cc-type glutaredoxin, megrxc3, associates with catalases and negatively regulates drought tolerance in cassava (manihot esculenta crantz)”。该期刊的影响因子为13.263。该研究使用dna亲和纯化测序(dap-seq) 技术鉴定了木薯中转录因子metga2的结合基序、预测了其靶点。进一步研究揭示了megrxc3调控过氧化氢酶活性响应植物干旱胁迫的分子机制，为利用基因工程策略开发抗旱高产木薯新品种提供了宝贵的基因资源。
谷氧还蛋白(grxs)在植物响应环境变化的活性氧(ros)稳态中发挥至关重要的作用。研究人员在木薯中发现了几种对干旱敏感的cc型grxs。然而，cc型grxs如何调控干旱胁迫下木薯的ros稳态尚不清楚。该研究对megrxc3基因参与木薯ros信号转导和干旱胁迫响应的分子机制进行了深入的探究。
该团队通过目标区间重测序和抗旱指标的关联分析，确定了megrxc3与干旱胁迫下木薯叶片中的过氧化氢酶活性显著相关。通过抗旱表型分析，发现megrxc3负调控干旱和脱落酸诱导的气孔关闭，从而影响转基因木薯的干旱耐受性。进一步分析发现，megrxc3可以拮抗性调控过氧化氢在木薯叶片表皮细胞和保卫细胞中的分布。
图1. megrxc3与转录因子metga2在细胞核中相互作用
(a) 酵母双杂交实验表明megrxc3与metga2相互作用。(b) 双分子荧光互补实验表明在烟叶中megrxc3与metga2可以在体内相互作用。(c) 在酵母中metga2具有转录激活活性。(d) dap-seq鉴定了木薯metga2结合的motif。(e) 基于dap-seq分析，鉴定了木薯中metga2的靶点基因。通过蛋白免疫共沉淀技术从木薯叶片中筛选到3个可能与megrxc3互作的过氧化氢酶蛋白，随后证实了megrxc3可以分别与过氧化氢酶mecat1、mecat2相互结合，并调控其过氧化氢酶活性。此外，研究团队发现megrxc3可以通过与转录因子metga2互作来调控多个胁迫相关转录因子基因的表达，并通过转录因子memyb63调控过氧化氢酶mecat7基因的表达，从而在转录水平上调控过氧化氢酶的活性。以上研究揭示了megrxc3通过活性氧平衡调控植物干旱胁迫响应的分子机制，同时展现了megrxc3基因在提升干旱环境下木薯块根产量方面的潜在应用价值。
图2. megrxc3调控过氧化氢酶响应干旱胁迫的作用模式
该研究揭示了cc型谷氧还蛋白megrxc3在转录水平及转录后水平调控过氧化氢酶的活性，影响过氧化氢在叶片表皮不同类型细胞中的分布，从而调控木薯对干旱胁迫的响应。该研究结果有助于理解谷氧还蛋白grxs通过活性氧平衡调控木薯干旱胁迫响应的复杂机制，同时为利用megrxc3基因培育抗旱高产木薯新品种提供了一种新策略。