【Plant Cell Environ】土壤干燥和恢复过程中ABA对根系生长的调节与生长素反应相关

题目：ABA regulation of root growth during soil drying and recovery can involve auxin response

刊名：Plant Biotechnology Journal

作者：Qian Zhang，Weifeng Xu et al.

单位：Agriculture and Forestry University, Fuzhou

日期：27 June 2021

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摘要

脱落酸 (ABA) 在植物适应水分亏缺中起着重要作用，但其在不同干旱阶段调节根系生长（主根伸长和侧根数）的作用尚不清楚。在这里，我们将野生型 (WT) 和ABA缺陷 的番茄植株暴露于三个连续的干旱阶段（中度干燥：第 0-21 天；严重干燥：第 22-47 天，再浇水：第 48-51 天). 结果发现，WT 在适度干燥期间增加了初生根的生长；在严重干旱条件下保持更多的侧根，更大的主根和总根长度；重新浇水后长出更多的根。经过 RNA-Seq 分析，我们发现根中的生长素相关基因在 WT 和非WT 之间表现出不同的表达模式。在干燥或重新浇水下。此外，IAA 的外源供应在三个连续干旱阶段下部分恢复了缺乏ABA 的植物的根系生长。我们的结果表明，在土壤干燥和恢复过程中，ABA 对番茄根系生长的调节可能涉及生长素反应。

02

技术路线

使用番茄（Solanum lycopersicum L.cv Lukulus）种子及其ABA生物合成突变体notabilis（not）

砂水势测定

植物形态性状分析

ABA定量

盆栽试验中ABA或IAA的外源供给

RNA测序和数据处理

定量RT-PCR、RNA测序分析、酵母双杂交试验

亚细胞定位、分裂荧光素酶互补试验

03

主要结果

3.1 三个不同阶段的形态学特征

WT和ABA缺陷的番茄植物在同一盆中生长，以确保两种基因型的根暴露于相似的沙子水分（图1a和S1）。即使在浇水充足的植物中，砂水含量也从花盆顶部的9%增加到花盆底部的18%。在干燥沙子时，这些梯度被放大，蒸发和植物蒸腾作用将花盆顶部的沙子含水量降低到1%，在第一阶段结束时，花盆底部只剩下1-2厘米的湿沙子（10%）。在干旱结束时（第二阶段），整个垂直剖面几乎没有水，甚至在花盆底部也有干燥沙子（4%）。在这些条件下，沙子含水量的横向梯度相似（图1b），表明每种植物的根系都暴露在相似的条件下。

在整个实验过程中，浇水充足的根的ABA浓度增加（当两种基因型的平均值为31%时），这表明ABA状态取决于植物的发育。在整个实验中，非根的ABA浓度为野生型根的67%，中度干燥使两种基因型的ABA浓度增加了38%（两种基因的平均值）。4天后，重新浇水趋于降低WT根的ABA浓度（图1c）。在试验开始时，未经适度干燥的暴露导致其ABA浓度与浇水充足的野生型植株相同。

因此，这两种基因型的根ABA状态不同，但ABA对时间或干燥的反应不同。在水分充足、中度干燥、重度干燥和重新浇水的条件下，野生型植株的根系ABA浓度始终高于未浇水的植株。通过放射免疫测定获得的数据验证了HPLC中的ABA浓度（图1c），表明本研究中HPLC检测到的ABA浓度是准确的。在水分充足的条件下（含水量为14%），整个试验过程中，地上部生物量增加（当两种基因型的平均值为85%）。当在充分浇水的土壤中生长时，野生型和非番茄在整个实验中具有相似的芽生物量（图1）。在中等干燥条件下（第0–21天，含砂量约为5%），野生型和缺乏 ABA 番茄的地上部生物量没有显著差异。

在严重干燥期间（第22–47天，含砂量从5%降至0.4%，整个花盆中的平均含砂势从0.68降至7.04 MPa），非番茄的茎生物量显著低于WT。非植物的叶片相对含水量（RWC）在每个实验阶段都略低。在第一阶段（适度干燥）和第三阶段（重新浇水）结束时，野生型和非番茄的RWC没有显著差异。然而，在第二阶段（严重干燥）结束时，非植物的RWC显著低于野生植物，如显著的阶段处理相互作用所示。

图1 野生型（WT）和ABA生物合成突变体番茄在干旱胁迫和恢复的三个渐进阶段的实验设置和植物生长。在第0天，将具有一片真叶的7天龄幼苗移植到装满沙子的花盆中（每列中每种基因型WT或不含WT的一株植物），沙子的持水量为14%。第一阶段：中等干燥（MD，第0–21天；5%含砂量，水势0.68 MPa）；第二阶段：严重干燥（SD，第22–47天；砂含水量从第22天的5%逐渐下降到第47天的0.4%，水势为7.04 MPa），第三阶段：重新浇水（RW，第48–51天；14%砂含水量，水势为0.01 MPa）。

（a） WT而不是植物在同一个花盆中生长，以尽量减少生长条件的差异。

（b） 在干燥、干旱和重新浇水阶段，花盆中的水分分布。红色代表沙子中的低含水量，而蓝色代表高含水量，如颜色图例所示。根ABA浓度

（c）和WT的茎干重

（d）而不是在三个实验阶段。在每个阶段，X轴标签中的WW表示水充足的条件。

因此，基于这些结果，我们建立了这些实验阶段（充分浇水、适度干燥、严重干燥和重新浇水）。适度干燥显著增加了WT的PRL（主根长度）约20%，但未能促进非PRL（图2a），表明ABA介导的主根伸长调节不仅取决于土壤湿度，还取决于ABA（显著的基因型-水交互作用–表S2）。浇水充足的野生型植物比不浇水的植物具有明显更多的侧根（在实验中平均为27%）。适度干燥减少了侧根的数量（NLR），并放大了这种基因型差异，因此在试验期间，暴露于干燥土壤的植物的侧根数量不会减少55%。类似地，特别是在缺水条件下，观察到WT植物的总根长（TRL）比未观察到的更大（图2b、c）。

与浇水充足的植物相比，第一阶段的土壤干燥大大降低了非植物的NLR和TRL（分别为54%和45%），而严重干燥（第二阶段结束时）进一步降低了非的NLR与TRL，分别为70%和50%。前两个阶段的缺水也对WT植物的NLR和TRL产生负面影响（NLR的25%和TRL的21%，两个阶段平均值）。第三阶段的再次浇水促进了WT的NLR和TRL，但在4天后对植物的影响非常有限（图2b，c）。

总之，与ABA缺乏的番茄（非）相比，WT在适度干燥期间增加了主根生长；在严重干燥条件下保持侧根数、主根数和TRL，并在重新浇水后产生更多的根数和长度。此外，内源ABA状态调节了这些不同的根性状（表S2）。

图2 第一阶段结束时野生型番茄（WT）和ABA生物合成突变体（非）的根性状：中度干燥（MD）；第二阶段：严重干燥（SD），第三阶段：重新浇水（RW）。在三个实验阶段，野生型而非植物的主根长（a）、侧根数（b）和总根长（c）。

3.2 番茄根的转录组分析

为了深入了解番茄根对适度干燥、严重干燥和再浇水的反应的分子方面，通过RNA测序对整个根中大规模基因的表达进行了定量。在三个进行阶段的36个根样本中共检测到24226个基因（图S6），其中鉴定了7025个不同表达的基因（DEG，WT与否）（表S3），这些DEG通过基因本体（GO）的富集分析进行了分类。GO术语GO：0005975（碳水化合物代谢过程）、GO：0055114（氧化-还原过程）和GO：0042446（激素生物合成过程）过度表达（表S4）。与浇水充足的植物相比，严重干燥导致根中不同表达基因的数量更多（图3a，左侧）。野生型植物中的基因表达（包括ABA生物合成和响应的基因表达）倾向于响应土壤干燥而增加，但在非植物中减少（图S7）。此外，非植物中的总基因表达水平相对低于野生型（图3a右侧），表明ABA可能会促进基因表达，而不考虑砂水状况。对所有DEG进行TCseq分析，产生六个基因簇（图S8）。这些簇被进一步分配为三种不同的表达模式，并通过热图进行可视化（图3b）。每种模式的基因都进行了GO富集分析（图3c）。在阶段I（适度干燥），GO术语GO:0005114（氧化-还原过程）和GO:0009628（对非生物刺激的响应）过度表达（表S5）。在第二阶段（严重干燥），共有45个GO术语显著富集（表S6），如GO：GO：0009734（生长素激活的信号通路）、GO：0006833（水运输）、GO:00030104（水稳态）和GO：0009992（细胞水稳态）。在第三阶段（重新浇水），GO术语GO:0006950（应激反应）、GO:0006952（防御反应）、GO：0042446（激素生物合成过程）、GO（激素代谢过程）、GO:10004445（乙烯代谢过程）和GO：0009693（乙烯生物合成过程）过度表达（表S7）。为了确定与植物抗旱性高度相关的特定基因，我们使用WGCNA鉴定了20个不同的模块，其中品红色模块与内源ABA密切相关（图S9）。品红色模块中的基因表达在植物中尤其是在土壤干燥时被抑制，但在重新浇水时恢复。相比之下，野生型植物在整个实验过程中保持相对稳定的基因表达（图S10），表明内部ABA水平可能会影响干旱条件下品红色模块中基因的表达。如表S8所示，GO术语GO：0022613（核糖核蛋白复合物生物发生）和GO：0090304（核酸代谢过程）中过度表达了该模块中的基因。通过使用CytoHubba在Cytoscape中的应用，预测了四个中枢基因NRP2（NAP1相关蛋白2样）、NOP6（核仁蛋白6）、NOC2（核仁复合蛋白2）和CPN60-2（伴侣蛋白CPN60-2）可能调节ABI5L（ABA响应元件结合因子），并进一步影响植物对干旱的反应（图3d）。

图3 基因表达模式和共表达网络分析。

（a） 在阶段I结束时，不同表达基因的数量（DEG、WT vs not和折叠变化>2）和野生型（WT）和ABA生物合成突变体（not）的表达水平：中度干燥（MD）；第二阶段：严重干燥（SD）和第三阶段：重新浇水（RW），FPKM代表每千基百万碎片。

（b） 三个实验阶段DEG的热图。

（c） 在三个实验阶段显著丰富了GO。

（d） 利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）识别参与植物干旱反应的中枢基因，红色代表四个中枢基因，黄色代表目标基因

3.3 受外源ABA或IAA影响的根系形态

在整个实验中，外源ABA将非植物的根ABA浓度提高到与野生型植物相似的水平（图S11）。将ABA应用于水分胁迫植物（第一阶段和第二阶段）将非植物的PRL和NLR提高到与WT植物相似的水平（图4），这在很大程度上与土壤水分状况无关（表S11）。

图4 外源ABA的供应在干旱条件下三个进行阶段恢复了ABA生物合成突变体的根系生长。第一阶段：适度干燥（MD）；第二阶段：严重干燥（SD），第三阶段：重新浇水（RW）。在三个实验阶段，野生型而非植物的主根长（a）、侧根数（b）和总根长（c）。

因此，ABA的添加在表型上促进了干燥土壤中非植物的根系生长，但对野生型植物没有有害影响。IAA途径中涉及的差异表达基因在三个阶段被鉴定（图5）。在第一阶段（中度干燥），大多数IAA相关基因（27个基因中的24个）在相同水分条件下，WT中的表达水平高于非植物。在第二阶段（严重干燥），参与IAA合成、稳态和反应的基因在野生型植物中被高度激活，但在非野生型植物则被进一步抑制，表明内源ABA和IAA途径之间存在相互作用。在第三阶段（重新浇水），与WT相比，水的重新供应抑制了非植物中更多的IAA相关基因。

图5 第一阶段结束时野生型（WT）番茄和ABA生物合成突变体中IAA相关基因表达的热图：中度干燥（MD）；第二阶段：严重干燥（SD），第三阶段：重新浇水（RW）。在每个阶段，x轴标签中的WW表示水充足的条件。YUC：吲哚-3-丙酮酸单加氧酶；GH：吲哚-3-乙酸酰胺合成酶；PIN：生长素外排促进剂；LAX：生长素内流载体，LAX家族；AUX：生长素流入载体；GNOM1:ARF鸟嘌呤核苷酸交换因子GNOM样；SAUR：生长素诱导蛋白；ARF：生长素反应因子；IAA1-36：生长素反应蛋白

同时，编码生长素诱导蛋白和生长素响应因子的基因的表达保持在相对较高的水平。IAA对野生型和非野生型植物根系生长的影响通过向植物根系外源施用IAA来评估。与WT相比，适度干燥降低了not的PRL，而在整个实验过程中，IAA的添加使PRL增加到了与WT相似的水平（图6a），与土壤水分状况无关（表S12）。此外，IAA的添加增加了I期和II期非植物的NLR和TRL。无论外源IAA如何，再浇水（第三阶段）都不能恢复NLR和TRL，与野生型植物相比，侧根减少29%，TRL减少26%（图6b，c）。因此，IAA的添加在表型上促进了干燥土壤中非植物的根系生长，但对野生型植物没有有害影响。

图6 外源IAA的供应部分恢复了干旱条件下ABA生物合成突变体在三个进行阶段的根系生长。第一阶段：适度干燥（MD）；第二阶段：严重干燥（SD），第三阶段：重新浇水（RW）。在三个实验阶段，野生型而非植物的主根长（a）、侧根数（b）和总根长（c）。模拟植物接受与IAA处理的植物相同体积的水。

04

结论

总之，我们的研究揭示了ABA的功能及其与IAA的协调，通过动态重塑根系结构和影响三个进行阶段中大量的根系基因表达来调节植物的抗旱性，这对于我们理解植物适应持续变化的土壤水分状况非常重要。

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原文获取

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14137

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https://www.scientsgene.com/h-nd-165.html