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缺硼诱导茉莉酸合成和信号参与调控缺硼对拟南芥生长的抑制

点击次数:364 发布时间:2020-12-11

硼是维持植物正常生长发育所必需的微量矿质元素。土壤有效硼的缺乏已成为许多地区农业生产中一个重要的限制因子。缺硼胁迫时植株的初反应就是根尖的快速生长受到抑制,然而缺硼抑制根尖生长的生理生化和分子机制还不清楚。硼主要在细胞壁果胶中交联鼠李半乳糖醛酸聚糖分子(RG-II),保持细胞壁的完整性。已有证据表明,缺硼条件下多种植物激素参与了植物的缺硼反应,比如在低硼处理的拟南芥和甘蓝型油菜中均发现茉莉酸相关基因和蛋白存在表达差异。茉莉酸(Jasmonates, JA)是调节植物生长发育、抵御逆境胁迫的一种重要的植物激素。但是,JA如何参与调控植物响应缺硼胁迫的机制还没有明确的研究报道。本研究以拟南芥野生型和相关遗传突变体为材料,研究缺硼胁迫下JA合成与信号的适应性变化,从而揭示JA参与植物响应缺硼胁迫的分子调控机制。

JIPB近日在线发表了华中农业大学资源与环境学院徐芳森课题组题为“Induction of jasmonic acid biosynthetic genes inhibits Arabidopsis growth in response to low boron”的研究论文。该研究鉴定了一个缺硼诱导的乙烯转录因子ERF018,通过作用于JA合成基因AOCs的启动子区域,上调了这些基因的表达,使JA合成增多。在茉莉酸氨基酸结合酶JAR1的作用下,增多的JA进一步转变为有生物活性形式的茉莉酸-异亮氨酸JA-IleJA-Ile与受体复合物SCFCOI1结合激活JA下游信号,参与缺硼对拟南芥生长的抑制。

 

缺硼上调ERF018,促进JA合成。累积的JA在JAR1作用下转化为JA-Ile,激活JA信号参与缺硼对拟南芥生长的抑制。

徐芳森课题组研究发现缺硼条件下拟南芥地上部和根中累积的JA达到正常硼条件下的7.9倍和2.8倍。缺硼胁迫对地上部和根系的生长存在显著抑制作用,外源添加JA合成抑制剂DIECA则可以缓解缺硼对生长的抑制,表明缺硼累积的JA对生长存在负调控效应。在此基础上,一方面,研究鉴定发现乙烯响应转录因子ERF018是一个早期缺硼响应的基因。利用酵母单杂和烟草瞬时表达试验证明ERF018能够与JA合成基因AOC1AOC3的启动子结合,促进JA合成基因的表达上调。缺硼条件下在拟南芥中超表达ERF018能够显著上调JA合成基因AOCsAOS和OPR3的表达。这些结果表明ERF018响应缺硼胁迫而调控JA的合成。另一方面,研究发现缺硼条件下JA活性物质JA-Ile合成显著增加,同时JAZ3:GFP荧光强度随着缺硼时间延长逐渐减弱,表明缺硼胁迫增强了JA信号。遗传分析表明拟南芥突变体jar1在缺硼条件下主根长和地上部鲜重均显著高于野生型。外源添加JA-Ile则可抑制突变体jar1-1的生长优势,说明在缺硼条件下JA信号的增强负调控拟南芥生长。进一步分析JA信号下游的拟南芥突变体coi1-2myc2对缺硼胁迫的反应,证明JA信号通路在缺硼抑制植物生长调节过程中起到重要的作用。综上所述,该研究揭示了缺硼诱导ERF018上升,促进JA合成,进而通过JA-Ile激活JA信号通路参与缺硼对拟南芥生长抑制的调控。

徐芳森课题组近年来在植物抗低硼胁迫的分子机制研究中取得了一系列进展,初步揭示了植物激素(茉莉酸,生长素,脱落酸等)参与油菜的抗缺硼反应(Zhou et al. 2016; Hua et al. 2016),图位克隆了油菜硼高效基因BnaA05.NIP5;1Hua et al. 2016),发现转录因子BnaA9.WRKY47受缺硼诱导,直接激活硼高效基因BnaA05.NIP5;1的,增强硼的吸收利用而提高油菜的抗缺硼能力等(Feng et al. 2020)。这篇论文*从分子调控水平上研究阐述缺硼诱导JA合成和信号而调控植物生长的机制。博士生黄榆普为论文的作者,徐芳森教授和汪社亮副研究员为通讯作者。同时石磊教授、王创研究员、丁广大副教授和蔡红梅副教授也参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金及湖北省自然科学基金的资助。

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