苹果（Malus domestica）是世界主要水果之一，我国是世界上最大的苹果生产和消费国。为了提高苹果果实品质和产量，经常在苹果果园中施用大量钾肥，但这种处理会加剧钾肥对苹果造成的盐胁迫。植物生长调节剂在调节植物生长发育过程中起着重要作用，近年来越来越多的植物生长调节剂被报道参与植物抵抗逆境胁迫。其中，褪黑素(MT)被广泛报道参与植物的多种非生物胁迫反应，然而其在KCl胁迫耐受中的作用尚不清楚。
近日，青岛农业大学园艺学院王彩虹/郑晓东教授课题组在Plant Biotechnology Journal（一区TOP期刊，影响因子13.8）在线发表了题为“Melatonin enhances KCl salinity tolerance by maintaining K+ homeostasis in Malus hupehensis”的研究论文。该研究通过对KCl胁迫下的不同苹果砧木进行外源褪黑素处理，发现褪黑素可以缓解它们受到的KCl胁迫，并揭示了褪黑素通过MT-WRKY53-GORK1/NHX2维持细胞钾离子稳态，提高苹果对KCl胁迫抗性的调控机制。
为了探究褪黑素对于提高苹果砧木KCl胁迫抗性的保守性，该研究通过对KCl胁迫下的多种砧木施加褪黑素处理，发现褪黑素可以提高所有试验砧木对于KCl胁迫的抗性。此外，钾离子染色和钾离子流速检测试验发现，褪黑素处理可以促进钾离子外排以及液泡对钾离子的区隔化（图1）。
图1 褪黑素增强苹果砧木的KCl胁迫抗性
该研究中，作者还通过RNA-seq鉴定出了共同响应KCl胁迫和褪黑素处理的关键转录因子MdWRKY53。通过转基因试验证明过表达MdWRKY53可以通过增强钾离子外排和液泡对钾离子的区隔作用，增强转基因植株对KCl胁迫的抗性，而RNAi MdWRKY53则相反。此外，对比WT植株，对KCl胁迫下的RNAi MdWRKY53的转基因植株施加褪黑素并不能缓解RNAi MdWRKY53植株所受到的伤害，此结果表明MdWRKY53在褪黑素缓解KCl胁迫的调控通路中发挥着关键作用（图3）。
缓解KCl胁迫的调控通路中发挥着关键作用
MdWRKY53作为转录因子，可以直接与下游靶基因结合，对其靶基因进行转录调控。作者通过ChIP-seq、EMSA、qPCR和LUC活性检测发现MdWRKY53可以结合MdGORK1和MdNHX2的启动子并上调他们的表达，证明MdGORK1和MdNHX2是受MdWRKY53调控的下游基因。
MT-WRKY53-GORK1/NHX2-K+模块调节K+稳态，以增强苹果的氯化钾胁迫耐受性（图7）。一方面，MdWRKY53可以直接与MdGORK1的启动子结合，增加其转录，增加K+的外排。另一方面，MdWRKY53也可以直接与MdNHX2的启动子结合，增强其转录，促进液泡将K+区隔，进一步保持细胞质中的K+稳态，从而增强苹果植株对氯化钾的耐受性。
图7 褪黑素缓解苹果KCl胁迫的分子机制模式图
本研究得到了国家自然科学基金、山东省现代农业产业技术体系、山东省高等学校青创人才引育计划项目和黄河三角洲农业高新技术产业示范区项目等资助。
