在全球气候变化导致极端天气频发，其中干旱是影响作物生长和生产力的主要环境胁迫之一。甘蔗(Saccharum spp. hybrids)是重要的糖料和生物质能源作物，分布在热带和亚热带地区。干旱胁迫是影响甘蔗生产的最主要的环境限制因子之一。转基因现代生物育种技术是一种高效、精准、定向遗传改良和耐旱品种培育的重要途径。启动子是RNA聚合酶和转录因子结合的区域，一般位于基因5’端上游特定位置，是调控基因转录的中心，决定了基因转录的起始点和效率。植物源启动子在转基因植株上容易因重复序列诱导的基因沉默，导致的外源基因不同程度的失活。众所周知，花椰菜花叶病毒（CaMV）35S启动子是一种组成型启动子，在许多双子叶植物的组织中高效表达，但在单子叶植物上表达活性较弱。甘蔗杆状病毒（SCBV）至少4个种，属于花椰菜花叶病毒科杆状病毒属。SCBV遗传多样性极其丰富，尤其在病毒基因组的非编码区，这区域也是病毒启动子所在位置。挖掘新型植物病毒启动子及其顺式作用元件，探析其结构和功能，这对于理解基因表达调控机制并应用于生物育种上具有重要意义。
近日，太阳集团tcy8722国家甘蔗工程技术研究中心联合广东省科学院南繁种业研究所、法国国际农业研究中心（CIRAD）在Nature集团出版的高质量期刊《通讯生物学》（Communications Biology）上在线发表了题为“Identification of a sugarcane bacilliform virus promoter that is activated by drought stress in plants（应答植物干旱胁迫的甘蔗杆状病毒启动子鉴定）”的研究论文，该研究从SCBV基因组上克隆并筛选出干旱诱导型的启动子PSCBV-YZ2060，探析该启动子在转基因甘蔗和拟南芥植株上受干旱胁迫诱导表达的分子机制，并鉴定出关键的顺式作用元件，为甘蔗等作物抗旱转基因生物育种提供合适的诱导型启动子和重要顺式作用元件。
作者从7个不同病毒基因型SCBV基因组上克隆获得相应启动子片段，其中3个启动子PSCBV-YZ2060、PSCBV-TX和PSCBV-CHN2具有干旱胁迫诱导表达特性，且PSCBV-YZ2060启动子活性受ABA诱导表达。对PSCBV-YZ2060启动子进行片段缺失和对ABREs元件点突变，发现近端启动子区1（PPR1）和2个ABRE元件是PSCBV-YZ2060启动子响应ABA诱导的关键功能域。并证实甘蔗ScbZIP72和拟南芥AREB1转录因子能与PSCBV-YZ2060启动子90 bp区域的2个ABRE元件结合，从而激活启动子转录表达。此外，还发现PSCBV-YZ2060启动子在转基因甘蔗中表现为组织特异表达模式，驱动外源基因GUS在根组织中表达量最高，在根和叶组织中明显受干旱胁迫和ABA诱导表达。
图1 甘蔗ScbZIP72和拟南芥AREB1转录因子转录激活杆状病毒启动子
太阳集团tcy8722农学院2016级博士研究生孙生仁，现在广东省科学院南繁种业研究所工作，为论文的第一作者。太阳集团tcy8722高三基研究员和法国国际农业研究中心（CIRAD）、原国际甘蔗技师协会（ISSCT）主席Philippe Rott教授为论文共同通讯作者。太阳集团tcy8722农学院2013级和2018级硕士研究生吴小斌和陈建生以及国家甘蔗工程技术研究中心傅华英和黄美婷老师参与本研究，广东省科学院南繁种业研究所王勤南研究员参与指导。本研究得到了国家糖料产业技术体系（CARS-170302）和国家自然科学基金（32201735）等项目的资助。
迄今，高三基研究员课题组在甘蔗杆状病毒研究上取得丰硕成果，鉴定出7种新的SCBV基因型，获得中国和美国国家发明专利共5件，国家标准1部，发表SCI收录论文5篇，其中中科院一区TOP期刊2篇，培养了4博、硕士生，含外籍硕士生1名。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s42003-024-06075-y