PBJ | CsUGT71A60自然变异实现生长与抗逆双效调控

研究背景

低温胁迫是限制茶树（Camellia sinensis）生产力和地理分布的关键环境因子。作为热带和亚热带地区重要的经济作物，茶树对冷害高度敏感，长期低温会导致不可逆的生理损伤。尽管植物通过复杂的分子网络调控抗寒性，但茶树响应低温的分子机制仍不明确，尤其是如何平衡抗逆性与生长发育的调控路径亟待解析。细胞分裂素（Cytokinins, CKs）作为关键激素，参与植物生长和逆境应答，但其糖基化修饰在抗寒中的作用尚未被揭示。近年来，基因组学和多组学技术为挖掘抗寒相关基因提供了新思路，但茶树中兼具抗寒与生长调控功能的基因仍未见报道。此研究通过整合全基因组关联分析（GWAS）和蛋白质组学技术，聚焦糖基转移酶（UGT）的自然变异与功能，旨在解析茶树抗寒与生长协同调控的分子机制。

研究结果

自然变异与抗寒性关联

该研究通过对139个茶树品种的遗传多样性分析，筛选出92个代表性种质进行抗寒性表型鉴定。GWAS分析发现，231个UGT相关基因的SNP位点与抗寒性显著关联，其中位于TEA001347基因侧翼的SNP位点（P值<0.0001）呈现强连锁不平衡，提示其为核心候选基因。进一步蛋白质组学分析显示，低温胁迫显著诱导茶树中糖基转移酶活性相关蛋白的表达，且TEA001347（后命名为CsUGT71A60）在三个低温处理组中持续上调。通过基因表达谱和单体型分析，研究者证实CsUGT71A60的自然变异与茶树抗寒性呈正相关，为后续功能研究奠定基础。

CsUGT71A60功能验证

为明确CsUGT71A60的抗寒机制，研究团队通过瞬时沉默和过表达技术调控茶树及拟南芥中该基因的表达。结果显示，沉默CsUGT71A60显著降低茶树光系统稳定性（Fv/Fm值下降30%），加剧电解质外渗（增加1.5倍）和活性氧（ROS）积累；而过表达该基因的拟南芥株系在低温下表现出更强的抗氧化能力（SOD和POD活性提高40%）及渗透调节能力（脯氨酸含量增加25%）。此外，转基因拟南芥的农艺性状显著改善，包括发芽率提高20%、分蘖数增加35%、单株种子重量提升15%，但开花时间延迟约7天，表明CsUGT71A60具有平衡抗逆与发育的双重功能。

酶活性与代谢调控

通过体外酶活筛选和体内代谢分析，研究者发现CsUGT71A60特异性催化顺式玉米素（cis-zeatin）的9-O-糖基化反应，生成顺式玉米素-9-O-葡萄糖苷（cZ9G）。低温胁迫下，茶树中顺式玉米素及其糖苷水平同步升高（分别增加2.1倍和3.5倍），暗示糖基化可能通过动态调节活性CKs库维持激素稳态。外源喷施实验证实，顺式玉米素较其糖苷更能有效提升茶树抗寒性，包括光系统保护（Fv/Fm恢复至对照的90%）和抗氧化酶激活（DPPH清除率提高50%），而CsUGT71A60的沉默会破坏这一平衡，导致冷害加剧。此结果首次将CKs糖基化修饰与低温适应直接关联，揭示了UGT介导的激素稳态调控新机制。

ARR-CsUGT71A60信号通路解析

研究进一步解析了CsUGT71A60的转录调控网络。通过启动子顺式元件分析，发现CsUGT71A60启动子含有5个ARR（细胞分裂素响应调节因子）结合位点（CRM元件）。酵母单杂交、双荧光素酶报告基因和凝胶迁移实验（EMSA）证实，ARR家族成员TEA021099直接结合CsUGT71A60启动子并激活其表达。低温胁迫下，ARR表达上调（2.8倍），进而驱动CsUGT71A60介导的CKs糖基化，形成正向调控环路。有趣的是，ARR同时通过调控CRF（Cytokinin Response Factor）间接影响抗寒相关基因表达，揭示了CKs信号与抗寒应答的级联调控路径。

创新与应用价值

此研究首次在茶树中发现兼具抗寒与生长调控功能的糖基转移酶CsUGT71A60，解析了其通过动态糖基化平衡CKs活性、协调抗逆与发育的分子机制。相较于传统抗寒基因常伴随生长抑制的缺陷，CsUGT71A60的自然变异为作物“抗逆不减产”育种提供了理想靶点。研究提出的ARR-UGT调控轴不仅拓展了植物低温应答的理论框架，更为设计新型基因编辑策略、培育适应气候变化的高效茶树品种奠定了科学基础。

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