DAP-seq技術助力揭秘葡萄耐冷性的糖代謝調控機制
2025年4月8日，中國科學院武漢植物園辛海平研究員團隊在Plant, Cell & Environment期刊(IF=6.1)上發表了題為“VaEIN3.1‐VaERF057‐VaFBA1 Module Positively Regulates Cold Tolerance by Accumulating Soluble Sugar in Grapevine”的研究論文，旨在揭示VaEIN3.1-VaERF057-VaFBA1模塊如何通過調控可溶性糖積累增強葡萄耐冷性，為抗逆分子育種提供新靶點。該研究利用DAP-seq技術，篩選出了VaERF057的下游靶基因。
研究背景
葡萄作為低溫敏感型經濟作物，易受冷害影響產量與品質。植物耐冷性涉及滲透調節物質積累、抗氧化系統激活及激素信號調控，其中可溶性糖（如蔗糖、果糖）通過維持滲透平衡與能量供應發揮核心作用。乙烯信號通路關鍵轉錄因子EIN3/EIL家族和AP2/ERF家族成員（如ERF057）可協同調控逆境應答基因，但其在葡萄耐冷中的分子網絡尚不明確。
技術路線
葡萄作為低溫敏感型經濟作物，易受冷害影響產量與品質。植物耐冷性涉及滲透調節物質積累、抗氧化系統激活及激素信號調控，其中可溶性糖（如蔗糖、果糖）通過維持滲透平衡與能量供應發揮核心作用。乙烯信號通路關鍵轉錄因子EIN3/EIL家族和AP2/ERF家族成員（如ERF057）可協同調控逆境應答基因，但其在葡萄耐冷中的分子網絡尚不明確。
技術路線
研究結果
本研究首先解析了葡萄轉錄因子VaERF057在冷脅迫響應中的功能。通過亞細胞定位證實VaERF057定位于細胞核，且其N端結構域（1-132氨基酸）具有轉錄激活活性。啟動子-GUS實驗結果表明低溫處理顯著增強VaERF057啟動子活性，驗證了其冷誘導特性。同時，檢測轉基因材料抗寒性指標，結果表明VaERF057過表達抗寒性顯著提升。以上結果表明，VaERF057在葡萄冷脅迫下的具有積極作用。
本研究首先解析了葡萄轉錄因子VaERF057在冷脅迫響應中的功能。通過亞細胞定位證實VaERF057定位于細胞核，且其N端結構域（1-132氨基酸）具有轉錄激活活性。啟動子-GUS實驗結果表明低溫處理顯著增強VaERF057啟動子活性，驗證了其冷誘導特性。同時，檢測轉基因材料抗寒性指標，結果表明VaERF057過表達抗寒性顯著提升。以上結果表明，VaERF057在葡萄冷脅迫下的具有積極作用。
圖1. VaERF057是一種在細胞核中定位的冷誘導轉錄因子，具有轉錄激活活性。
圖2. VaERF057在葡萄冷脅迫反應中的作用。
圖3. 通過病毒誘導的基因沉默（VIGS）沉默VaERF057降低了葡萄葉的耐寒性。
為了探索VaERF057參與葡萄冷應激反應的潛在機制，通過聯合分析DAP-seq和RNA-seq數據，在VaFBA1的啟動子中發現了兩個與VaERF057結合的順式元件GCCCAC，并通過Y1H、EMSA和LUC驗證了VaERF057與GCCCAC元件的相互作用。結果表明，VaERF057通過與GCCCAC元件的相互作用激活VaFBA1的表達。為進一步驗證了VaFBA1基因功能，比較了冷處理條件下基因的表達水平，同時構建轉基因材料檢測耐寒性和糖代謝指標，結果表明，VaFBA1通過調節糖代謝在冷應激中發揮積極作用。
圖4. VaERF057的順式元件及其下游基因的鑒定。
圖5. VaERF057通過調節VaFBA1參與糖代謝。
圖6. VaFBA1在葡萄冷應激反應中的作用。
圖7. 沉默VaFBA1可提高V. amurensis的冷敏感性。
圖5. VaERF057通過調節VaFBA1參與糖代謝。
圖6. VaFBA1在葡萄冷應激反應中的作用。
圖7. 沉默VaFBA1可提高V. amurensis的冷敏感性。
進一步篩選了乙烯信號相關基因，通過外源乙烯（ACC）和乙烯抑制劑（AVG）處理，結合RNA-seq數據，發現一種冷誘導的轉錄因子VaEIN3.1可以與VaERF057的啟動子結合，并通過Y1H、EMSA和LUC驗證了VaEIN3.1可以結合到VaERF057的啟動子并激活其表達。同時構建轉基因材料，檢測抗寒和糖代謝指標，結果表明VaEIN3.1在葡萄冷脅迫反應中的積極作用且當在葡萄葉片中敲低VaEIN3.1的表達時，VaERF057和VaFBA1的表達水平及糖含量均較低。以上結果支持了VaEIN3.1-VaERF057-VaFBA1模塊通過調節可溶性糖含量來提高葡萄耐寒性的積極作用。
圖8. VaEIN3.1與VaERF057啟動子結合，正向調節其表達。
圖9. VaEIN3.1通過調節VaERF057和VaFBA1參與糖代謝。
圖9. VaEIN3.1通過調節VaERF057和VaFBA1參與糖代謝。
本研究發現，VaEIN3.1-VaERF057-VaFBA1模塊通過級聯調控增強耐冷性：VaEIN3.1激活下游VaERF057表達，后者直接結合糖代謝關鍵酶基因VaFBA1啟動子，促進可溶性糖合成與積累，從而提升細胞滲透調節能力。該研究首次揭示乙烯信號與糖代謝通路協同抗冷的分子機制，為葡萄抗逆育種提供新靶點（如VaERF057和VaFBA1），并拓展了多基因模塊設計育種的策略，對改良其他作物的耐冷性具有參考價值。
圖10. VaEIN3.1-VaERF057-VaFBA1模塊調節葡萄在冷脅迫下的可溶性糖含量。
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