《Plant Science》：Overexpression of LpNAC14 from Lilium pumilum enhances salt and drought tolerance in transgenic Nicotiana tabacum
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通过转录组测序克隆的百合转录因子LpNAC14在干旱和盐胁迫下显著上调，过表达该基因使烟草抗氧化酶活性增强、MDA和电解质泄漏减少，并调控花青素合成相关基因表达，促进耐旱耐盐性。该研究为百合抗逆育种提供了新资源。
车海涛|孙少英|苏京淑|张红英|朱旭欣|张艳妮
中国哈尔滨东北林业大学景观建筑设计学院
摘要
百合是全球经济上最重要的观赏花卉之一，但其大规模栽培常常受到盐碱耐受性和抗旱性限制的阻碍。原产于中国北部的野生百合品种Lilium pumilum对盐碱、干旱和寒冷具有显著的适应能力，使其成为研究抗逆性的宝贵遗传资源。本研究通过转录组测序分析鉴定出转录因子LpNAC14并将其从L. pumilum中克隆出来。在脱落酸(ABA)诱导及多种非生物胁迫条件下（包括盐碱胁迫(NaCl)、碱胁迫(NaHCO3)和水分亏缺)，LpNAC14在L. pumilum的根、鳞茎和叶片组织中表现出差异性的转录表达模式。在盐碱和干旱胁迫下，过表达LpNAC14的转基因Nicotiana tabacum品系中，关键抗氧化系统（过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的活性显著增强，叶绿素含量也有所增加，相比对照组有明显改善。同时，这些转基因品系的丙二醛(MDA)积累和相对电解质泄漏(REL)显著降低。此外，过表达LpNAC14的烟草中应激响应基因的表达水平显著上调，表明LpNAC14能够增强植物的盐碱和干旱耐受性。有趣的是，过表达LpNAC14的烟草还表现出表型变化，如植株高度降低和花色变深。基因表达分析显示，花青素生物合成相关基因(NtDFR、NtANS、NtUFGT)的表达显著上调，而花青素还原基因(NtLAR、NtANR)的表达下调。这些发现表明LpNAC14可能通过调控这些基因来促进花青素的合成，从而增强植物的抗逆性。本研究为理解NAC家族转录因子在百合属植物中调节非生物胁迫耐受性和花青素生物合成的分子机制提供了基础。此外，LpNAC14作为改良百合品种的候选基因具有巨大潜力，有助于培育抗逆品种并推进园艺育种计划。
引言
在植物发育过程中，维管植物会遇到强度波动的非生物胁迫因素，这些因素会严重影响其形态和生理发育。干旱和土壤盐碱化是影响植物生存和产量的最不利环境条件之一（Zhang等人，2023年）。这两种胁迫经常同时发生，咸水灌溉和高蒸发量会加剧土壤盐碱化（Chaves等人，2009年；Zelm等人，2020年）。干旱和盐碱胁迫都会通过减少根际水分来引发渗透胁迫，导致气孔关闭和细胞膨压下降（Chankova等人，2024年）。两者的关键区别在于，长期盐碱胁迫下，植物组织中Na?和Cl?的过度积累会破坏离子平衡，导致特定离子的毒性作用，进而损害代谢酶和光合装置（Ismail和Horie，2017年；Zhang等人，2025年）。相比之下，干旱胁迫仅会导致植物脱水和代谢损伤（Osakabe等人，2014年）。阐明干旱和盐碱胁迫响应机制的共性和差异对于培育抗逆作物品种至关重要（Gupta等人，2020年）。为了缓解这些不利影响，植物进化出了多种生存和生产力策略（Ma等人，2021年）。这些策略主要涉及避胁迫和耐胁迫，其中基因表达调控起着重要作用。基因表达的变化会引发转录组、蛋白质组和代谢组的级联反应，帮助植物适应胁迫环境（Koyro等人，2012年）。理解这些适应机制对于开发增强植物抗逆性的策略至关重要。转录因子(TFs)是调节植物胁迫响应的复杂转录网络中的关键组成部分（Umezawa等人，2006年）。到目前为止，NAC家族是高等植物中最大的转录因子家族之一（Olsen等人，2005年）。自1996年在矮牵牛(Petunia hybrida)的顶端分生组织中鉴定出第一个NAC转录因子NAM以来，已在多种植物中鉴定出许多NAC转录因子。例如，PlantRegMap/PlantTFDB v5.0数据库收录了168种植物中的NAC转录因子，包括38种单子叶植物和100种双子叶植物。NAC转录因子参与植物从幼苗萌发到果实形成的多个发育阶段的多种分子调控过程（Han等人，2023年）。例如，在Arabidopsis中异源表达FtNAC10可以显著抑制种子萌发，同时促进在盐碱和渗透胁迫条件下的主根生长（Li等人，2023年）。在菊花中，属于NAC转录因子家族OsNAC7亚家族的ClVND1通过促进侧根发育来增强抗逆性，同时抑制花序生长并加速开花时间（Liu等人，2025年）。此外，据报道ZmNAC17可以调节玉米的中胚轴伸长（Yang等人，2024年）。
NAC转录因子在调节植物对非生物胁迫的响应中起着关键作用。在Camellia sinensis中，CsNAC28通过调控ABA信号通路相关基因并增强抗氧化防御系统的效能来提高抗旱性（Zhang等人，2022年）。在棉花(Gossypium hirsutum)中，将GhNAC4异源过表达到烟草中可显著提高其对高盐和干旱的耐受性（Trishla和Kirti，2021年）。在Suaeda liaotungensis中，SlNAC10通过调控脯氨酸生物合成来增强抗盐性（Du等人，2022年）。在大豆(Glycine max)中，过表达GmNAC12可以提高抗旱性，而其敲低表达则会降低ABA敏感性（Yang等人，2022年）。相反，在水稻(Oryza sativa)中沉默OsNAC006会增强对干旱和热胁迫的敏感性（Wang等人，2020年）。其他几种NAC转录因子，如猕猴桃(Actinidia chinensis中的AvNAC030、秋葵(Abelmoschus esculentus中的AeNAC83和黑小麦(× Triticosecale Wittmack中的TwNAC01)也被证明能正向调节对多种非生物胁迫的响应（Li等人，2021年；Wang等人，2022年；Zhao等人，2022年）。
尽管对NAC转录因子进行了大量研究，但在百合属植物中的研究主要集中在花色（Du等人，2019年）、香气和花粉发育方面，而对耐逆性的研究相对较少。Lilium pumilum是一种原产于中国北部岩石斜坡和草原的野生品种，其对多种环境胁迫具有显著的抗性，因此是研究百合属植物抗逆机制的理想模型。通过转录组测序，在L. pumilum中鉴定出许多对盐碱胁迫有响应的转录因子。其中，LpNAC14在盐碱胁迫后根组织中的表达显著增强，并具有独特的时空表达模式。具体来说，其转录水平在对数2FC基础上增加了1.4倍和2.6倍，基于对数2qPCR数据则增加了4.4倍和3.4倍（Sun等人，2023年）。这些发现表明LpNAC14可能是L. pumilum盐碱胁迫响应的关键调节因子。从L. pumilum中克隆出LpNAC14并在烟草中异源表达，以研究其在非生物胁迫抗性中的生物学作用。过表达LpNAC14NtDFR、NtANS和NtUFGT的表达上调，而NtLAR和NtANR的表达下调，表明LpNAC14的上调促进了花青素的合成并增强了抗逆性。
本研究揭示了NAC转录因子在百合属植物中调节非生物胁迫耐受性和花青素生物合成的分子机制。此外，LpNAC14作为培育抗逆百合品种的候选基因具有巨大潜力，有望应用于园艺改良。
在东北林业大学景观建筑设计学院（中国哈尔滨）的实验室中，采用受控条件培养了L. pumilum和烟草植物的无菌株。本实验使用的种子为T2代转基因烟草种子，储存温度为4℃。
为了研究LpNAC14在L. pumilum不同组织中的表达水平，将28天大的幼苗在Hoagland营养液中水培驯化14天...
序列分析显示LpNAC14包含一个555 bp的编码DNA序列（CDS，图1–1A），编码一个属于NAC家族的184个氨基酸的完整蛋白质（图1B）。LpNAC14的预测分子量为21063.48 Da，不稳定指数为48.29，平均亲水系数为–0.60，表明LpNAC14编码一种稳定的亲水蛋白质（图S1A）。跨膜结构预测和信号肽检测分析进一步证实了该蛋白质的特性...
盐碱和水分不足对植物生长和发育有显著影响。作为基因表达的上游调节因子，NAC转录因子家族成员在促进植物快速适应环境胁迫中起着关键作用（Puranik等人，2012年）。过去几十年的大量研究表明，NAC转录因子在调控植物对多种非生物胁迫（包括干旱、盐碱和低温）的响应中起着核心作用（Hou等人，2020年；Van Beek等人，2021年）...
总结来说，本研究鉴定出LpNAC14是一种新的与胁迫相关的基因，可提高转基因烟草的盐碱和干旱耐受性。在L. pumilum中，LpNAC14在多种胁迫条件下表达显著上调，其在烟草中的过表达通过上调应激响应基因和增强抗氧化酶活性等生理指标来提高抗逆性。此外，转基因烟草的表型变化表明...
(Jin等人，2017年；Wang等人，2021年)
张红英：概念设计。朱旭欣：概念设计。孙少英：数据整理、概念设计。苏京淑：撰写、审稿与编辑。张艳妮：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督。车海涛：初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源管理、项目统筹、正式分析、数据整理、概念设计。
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
本工作得到了黑龙江省自然科学基金([项目编号 LH2019C004])的支持。
