华中农大尹昌喜课题组揭示乙烯-茉莉酸甲酯介导盐胁迫抑制水稻种子根生长的调控机制
转自植物生物学
2021年5月17日，Journal of Experimental Botany在线发表了华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室/植物科学技术学院副教授尹昌喜课题组题为“The inhibition of rice seminal root growth by salt is mediated by ethylene-jasmonate interaction”的研究论文。通过研究NaCl对乙烯和茉莉酸甲酯的稳态以及对水稻种子根生长的影响，发现盐胁迫通过乙烯依赖性和非依赖性途径促进水稻种子根中茉莉酸甲酯的生物合成，而盐诱导的茉莉酸甲酯通过抑制盐胁迫下根分生组织细胞增殖和根细胞伸长来抑制水稻种子根的生长。
土壤盐分是限制全球粮食作物生长和生产的主要非生物胁迫之一。研究表明，植物激素乙烯和茉莉酸甲酯在水稻植株的盐胁迫适应中起重要作用。水稻种子根是种子发芽后产生的第一个根，负责建苗期间的水分和养分吸收，其生长由根分生细胞增殖和根细胞伸长维持。尽管越来越多的证据表明乙烯和茉莉酸甲酯参与根系的盐胁迫响应，但两者在盐胁迫下对水稻种子根生长影响的分子互作机制尚不清楚。
本研究发现，NaCl处理能够以剂量依赖的方式抑制水稻幼苗种子根的生长（图1）。而添加乙烯生物合成抑制剂AVG后，NaCl对水稻种子根生长的抑制作用明显减弱，表明乙烯在该过程中发挥重要作用。基因表达水平检测显示，NaCl处理通过上调乙烯生物合成基因OsSAMS、OsACS和OsACO的转录，进而促进了乙烯的产生。同样，在施加茉莉酸甲酯生物合成抑制剂IBU后，NaCl诱导的种子根生长抑制得以恢复。此外，NaCl通过诱导茉莉酸甲酯生物合成基因的转录上调来增加茉莉酸（JA）与异亮氨酸衍生物（JA-Ile）的含量，从而介导盐胁迫下的种子根生长抑制。
图1. 不同NaCl浓度对水稻种子根生长的影响
通过比较发现，AVG和IBU对NaCl诱导的种子根生长抑制并无加性效应，表明乙烯和茉莉酸甲酯在这一过程中存在上游或下游关系。进一步分析发现，乙烯前体ACC诱导的种子根生长抑制可完全由IBU处理恢复，而AVG对JA诱导的抑制无缓解效应。ACC处理能够显著增加JA和JA-Ile含量，以及促进茉莉酸甲酯的生物合成。这表明NaCl诱导乙烯的产生不能直接抑制种子根的生长，而是通过促进茉莉酸甲酯的生物合成来间接实现的。同时说明茉莉酸甲酯作用于乙烯下游。此外，由于IBU而非AVG处理能够完全补救NaCl诱导的种子根生长抑制，NaCl处理还可通过不依赖乙烯的途径促进茉莉酸甲酯的生物合成。
进一步量化分析显示，NaCl/JA处理导致种子根细胞增殖率显著降低，根分生组织大小和细胞数目明显减小，OsPLT1、OsPLT6以及细胞分裂相关基因的表达明显下调。此外，种子根的细胞长度显著降低，细胞伸长相关基因的表达也明显下调。而NaCl的这些抑制效应可完全被IBU补救。表明NaCl诱导的茉莉酸甲酯通过限制分生组织细胞的增殖以及细胞伸长来抑制种子根的生长。 另外，与WT相比，茉莉酸甲酯缺陷突变体cpm2对盐胁迫表现出超敏表型，表明盐诱导的茉莉酸甲酯在抑制盐胁迫下水稻种子根的生长中起关键作用。
图2. 水稻幼苗种子根对盐胁迫响应的调控模型
综上表明，盐胁迫通过乙烯依赖性和非依赖性方式促进茉莉酸甲酯的生物合成，茉莉酸甲酯作用于乙烯下游，以抑制盐胁迫条件下水稻种子根的生长。
原文链接：
