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乙烯作為一種氣態(tài)植物激素，在植物生長發(fā)育及非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。前期研究表明，乙烯參與葡萄低溫應(yīng)答并正調(diào)控其抗寒性，但其在低溫下快速合成的調(diào)控機(jī)制尚不清晰。因此，深入解析乙烯在低溫條件下的合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，將為利用乙烯信號通路改良葡萄抗寒性提供重要線索和依據(jù)。

中國科學(xué)院武漢植物園園藝作物逆境生物學(xué)研究團(tuán)隊聚焦此科學(xué)問題，以葡萄(Vitis vinifera)為研究對象，系統(tǒng)揭示了ACC合成酶(ACS，乙烯合成限速酶)在低溫應(yīng)答中的調(diào)控模式。研究首先通過全基因組鑒定獲得9個VvACS家族成員，并結(jié)合低溫處理下葡萄根系的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，篩選出響應(yīng)低溫的候選基因VvACS2、VvACS4和VvACS6。利用CRISPR-Cas9基因編輯與過表達(dá)技術(shù)證實，VvACS2是低溫誘導(dǎo)葡萄根系乙烯合成的主要功能基因，其缺失顯著抑制低溫下ACC積累和乙烯的生物生成，而VvACS4和VvACS6的貢獻(xiàn)則不明顯。

為解析VvACS2的上游調(diào)控機(jī)制，研究人員整合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析和順式作用元件預(yù)測，篩選出6個候選上游轉(zhuǎn)錄因子。通過酵母單雜交、雙熒光素酶報告系統(tǒng)和電泳遷移率實驗，發(fā)現(xiàn)VvERF70與VvbHLH30能夠直接結(jié)合VvACS2啟動子并激活其表達(dá)。過表達(dá)VvERF70或VvbHLH30可顯著上調(diào)VvACS2表達(dá)，促進(jìn)ACC和乙烯積累，并增強(qiáng)根系抗寒性;而相應(yīng)敲除突變體則喪失低溫誘導(dǎo)乙烯合成的能力，抗寒性明顯下降。

進(jìn)一步的分子互作實驗證實，VvbHLH30與VvERF70可形成異源二聚體，協(xié)同增強(qiáng)對VvACS2啟動子的轉(zhuǎn)錄激活。此外，VvbHLH30還能直接結(jié)合VvERF70啟動子并激活其表達(dá)，提示VvbHLH30位于調(diào)控層級上游，通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控VvERF70，協(xié)同驅(qū)動VvACS2介導(dǎo)的乙烯合成。

綜上，該研究提出了一個完整的VvbHLH30-VvERF70-VvACS2層級調(diào)控模塊，系統(tǒng)揭示了葡萄低溫應(yīng)答過程中乙烯合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。該發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了葡萄冷脅迫下乙烯合成調(diào)控機(jī)制的空白，也為精準(zhǔn)提升葡萄及其他作物抗寒性提供了新思路和分子靶點。

本研究由中國科學(xué)院武漢植物聯(lián)合澳大利亞阿德萊德大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院、云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所、寧夏農(nóng)林科學(xué)院園藝研究所、中國科學(xué)院植物研究所、中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院等單位共同完成。研究成果以“A Hierarchical VvbHLH30-VvERF70-VvACS2 Module Orchestrates Ethylene Biosynthesis and Cold Adaptation in Grapevine”為題發(fā)表于植物學(xué)期刊Plant Biotechnology Journal。中國科學(xué)院武漢植物園侯雨君博士為第一作者，辛海平研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(32272691)、云南省重點研發(fā)計劃(202403AP140029)等項目的資助。