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蔡伟明研究组在BR调控侧根发育提高植物盐胁迫耐受研究中取得进展

日期:2020-07-13  访问次数:1461

2020713日,国际植物学期刊The Plant Journal在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心光合与环境实验室蔡伟明研究组题为“The Brassinosteroid (BR) responsive Xyloglucan Endotransglucosylase/Hydrolase 19 (XTH19) and XTH23 genes are involved in Lateral Root development under salt stress in Arabidopsis”的研究论文。该研究揭示了油菜素甾醇激素信号调控细胞壁重构参与侧根原基的起始来响应盐胁迫的新机理。

  油菜素甾醇在植物生长发育中有着重要的作用,参与调控植物发育的很多方面,包括茎叶和根的生长、维管组织的分化、育性、种子萌发、顶端优势、光形态建成等。同时在介导植物对环境胁迫的响应中也有重要作用。

  木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶(XTH)是植物细胞壁重构过程中的关键酶,它内切木葡聚糖,将产生的还原性末端连接到另外一个木葡聚糖链上,在细胞壁重构和影响植物生长发育方面有重要作用。XTH 通过切割和“移植”木葡聚糖,在不降低细胞壁机械性质的前提下提供细胞壁的延展性,从而支持由膨压驱动的细胞体积增长。有研究显示 XTH 基因表达与植物根伸长具有相关性,同时有研究表明XTH 基因可响应生长素、油菜素甾醇等植物激素和其它环境信号,在植物生长调控的生理过程中扮演着重要角色。细胞壁具有较强的可塑性,当受到发育、生物或非生物刺激时可以很快重构。但其机制很大程度上是未知的。

  侧根 (LR) 是植物根系主要组成部分,侧根发育的可塑性也在植物响应外界环境的适应性中起重要作用。植物细胞壁作为细胞膜外的结构层,不仅为植物提供结构支撑,也是抵御各种压力的防线;蔡伟明研究组的前期研究表明,细胞壁重构基因XTH 的作用可能有助于侧根原基覆盖组织细胞壁的松弛,或LR穿透表皮皮层时细胞壁的修复。蔡伟明研究团队通过向重性处理拟南芥幼苗诱导侧根原基起始同步化,筛选到2个编码细胞壁木葡聚糖内转糖苷酶基因 XTH19 和 XTH23 在盐胁迫下LR起始中起重要作用。XTH19 基因在根的分生区、伸长区、分化区以及侧根原基中都有表达,XTH23 基因在侧根原基和LR原基覆盖组织中表达。XTH19 和 XTH23 基因都能响应油菜素类固醇激素信号和盐胁迫处理。xth23 突变体与野生型相比LR密度降低同时对盐胁迫敏感xth19xth23 双突变体进一步降低了LR密度,对盐胁迫更为敏感。相反,过量表达 XTH19 和 XTH23 能显著增加LR密度和盐胁迫耐受性。同时 xth19xth23 突变体的细胞壁组分与野生型有所不同。同时,进一步又证明了BR信号通过下游核心转录因子BES1 调控 XTH19 和 XTH23 的表达,35S::BES1增加了盐胁迫下根系发育,而 xth19xth23 &35S::BES1 转基因植株部分互补盐胁迫耐受性和根系发育表型。该论文揭示了油菜素甾醇激素信号通过 BES1 调控细胞壁重构基因 XTH19 和 XTH23 表达并促进侧根发育对盐胁迫的适应的机理。

  中科院分子植物卓越中心徐佩佩副研究员为第一和共同通讯作者,蔡伟明研究员为通讯作者,陈海莹助理研究员和同济大学方珊博士参与了该工作。该研究得到了国家自然科学基金委、载人航天和中国科学院等项目的资助。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14905