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乙烯作為一種氣態植物激素，在植物生長發育及非生物脅迫響應中發揮關鍵作用。前期研究表明，乙烯參與葡萄低溫應答并正調控其抗寒性，但其在低溫下快速合成的調控機制尚不清晰。因此，深入解析乙烯在低溫條件下的合成調控網絡，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。
中國科學院武漢植物園園藝作物逆境生物學研究團隊聚焦此科學問題，以葡萄（Vitis vinifera）為研究對象，系統揭示了ACC合成酶（ACS，乙烯合成限速酶）在低溫應答中的調控模式。研究首先通過全基因組鑒定獲得9個VvACS家族成員，并結合低溫處理下葡萄根系的轉錄組數據，篩選出響應低溫的候選基因VvACS2、VvACS4和VvACS6。利用CRISPR-Cas9基因編輯與過表達技術證實，VvACS2是低溫誘導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的貢獻則不明顯。
為解析VvACS2的上游調控機制，研究人員整合轉錄組數據、共表達網絡分析和順式作用元件預測，篩選出6個候選上游轉錄因子。通過酵母單雜交、雙熒光素酶報告系統和電泳遷移率實驗，發現VvERF70與VvbHLH30能夠直接結合VvACS2啟動子并激活其表達。過表達VvERF70或VvbHLH30可顯著上調VvACS2表達，促進ACC和乙烯積累，并增強根系抗寒性；而相應敲除突變體則喪失低溫誘導乙烯合成的能力，抗寒性明顯下降。
進一步的分子互作實驗證實，VvbHLH30與VvERF70可形成異源二聚體，協同增強對VvACS2啟動子的轉錄激活。此外，VvbHLH30還能直接結合VvERF70啟動子并激活其表達，提示VvbHLH30位于調控層級上游，通過轉錄調控VvERF70，協同驅動VvACS2介導的乙烯合成。
綜上，該研究提出了一個完整的VvbHLH30-VvERF70-VvACS2層級調控模塊，系統揭示了葡萄低溫應答過程中乙烯合成的轉錄調控網絡。該發現不僅填補了葡萄冷脅迫下乙烯合成調控機制的空白，也為精準提升葡萄及其他作物抗寒性提供了新思路和分子靶點。
本研究由中國科學院武漢植物園聯合澳大利亞阿德萊德大學食品與葡萄酒學院、云南省農業科學院園藝作物研究所、寧夏農林科學院園藝研究所、中國科學院植物研究所、中南民族大學生命科學學院等單位共同完成。研究成果以“A Hierarchical VvbHLH30-VvERF70-VvACS2 Module Orchestrates Ethylene Biosynthesis and Cold Adaptation in Grapevine”為題發表于植物學期刊Plant Biotechnology Journal。中國科學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基金（32272691）、云南省重點研發計劃（202403AP140029）等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.70640