干旱是影响植物生长发育最严重的非生物胁迫之一。棉花是全球最重要的大田经济作物，其种子纤维、油分、蛋白均具有极高的纤油饲综合利用价值。干旱胁迫严重影响棉花的产量和品质。泛素化是一种常见的翻译后修饰，RING型E3泛素连接酶在植物耐旱调控中发挥重要作用。然而，其涉及的耐旱调控网络目前仍不清楚。
近日，实验室棉花遗传与种质创新利用团队在国际知名学术期刊 Plant Physiology 在线发表了题为“MYB30-INTERACTING E3 LIGASE 1 regulates LONELY GUY 5-mediated cytokinin metabolism to promote drought tolerance in cotton”的研究论文。该研究发现了一个新的GhMIEL1-GhMYB66-GhLOG5分子模块，通过调节细胞分裂素介导的棉花根系发育，进而提高棉花耐旱性的分子机制。
该研究鉴定了一个干旱诱导基因GhMIEL1，该基因编码一个棉花MYB30-INTERACTING E3 LIGASE 1，属于RING型E3泛素连接酶。GhMIEL1受聚乙二醇(PEG-6000)和植物激素脱落酸(ABA)诱导表达。单倍型分析显示GhMIEL1与干旱表型性状显著相关。研究表明，GhMIEL1作为E3泛素连接酶，在E1和E2存在的情况下可以介导自身泛素化。沉默和过表达GhMIEL1的棉花材料显著降低或增加了其耐旱性，表明GhMIEL1在棉花抗旱响应中扮演重要角色。进一步研究发现，过量表达GhMIEL1的转基因棉花可以明显改善根系形态，其总根长和根尖数量显著增加。转录组分析表明，过表达GhMIEL1的棉花植株和对照相比，其根组织中的差异表达基因主要富集了“细胞壁生物合成过程”条目。细胞分裂素含量测定表明，过量表达GhMIEL1的转基因棉花提高了根系活性细胞分裂素含量。进一步研究发现MYB转录因子GhMYB66与GhMIEL1相互作用。体外泛素化实验和蛋白降解实验表明，GhMYB66蛋白能够被GhMIEL1泛素化并降解。沉默GhMYB66增加了植株的总根长和根尖数量以及活性细胞分裂素的含量，表现出与GhMIEL1过表达株系相似的耐旱表型。
研究发现GhMYB66可以直接结合到GhLOG5启动子区域的MYB结合基序并抑制其表达。GhLOG5是一种编码细胞分裂素核苷5′-单磷酸磷酸核糖水解酶的基因，它能够直接将无活性的细胞分裂素核苷酸转化为有活性的细胞分裂素。在干旱胁迫下，沉默GhLOG5降低了根系中活性细胞分裂素的含量，影响了根系发育，降低了植株耐旱性。
综上所述， RING型E3泛素连接酶GhMIEL1能够泛素化和降解MYB转录因子GhMYB66，进而解除了GhMYB66对GhLOG5抑制转录效应，GhLOG5的高表达改变了植物根系细胞分裂素的稳态，增强了根系中活性细胞分裂素的含量，进而促进根系发育，根的总长度和根尖数量增加，棉花的耐旱性显著提高。该研究不仅加深了对植物中泛素化介导的耐旱性理论认知，也为育种实践中调控E3泛素连接酶提高作物耐旱性提供了新的见解。
GhMIEL1-GhMYB66-GhLOG5分子模块调控棉花耐旱性的工作模式图
实验室博士研究生陈川和张大勇副教授为论文共同第一作者，郭旺珍教授为论文通讯作者。钟山青年研究员李维希，已毕业博士研究生金暄翔、硕士研究生钮鑫和许慧娟参与了部分研究工作。该研究得到农业生物育种重大专项、国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目、江苏省重点研发计划、江苏现代作物生产协同创新中心等项目资助。