近日，Molecular Plant在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)趙方杰教授團(tuán)隊(duì)題為“Rice roots avoid asymmetric heavy metal and salinity stress via a RBOH-ROS-auxin signaling cascade”的研究論文，揭示了水稻根系通過(guò)呼吸氧爆發(fā)同源酶-活性氧-生長(zhǎng)素（RBOH-ROS-Auxin）的信號(hào)通路，重塑根系構(gòu)型以規(guī)避局部的重金屬和鹽脅迫。

 

　　土壤是高度異質(zhì)的介質(zhì)，土壤中養(yǎng)分、水分和有害物質(zhì)在時(shí)空上往往分布不均。已有的研究表明，植物可以靈活地調(diào)整根尖的生長(zhǎng)方向或根系的分支模式以獲取生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分。但植物根系如何響應(yīng)分布不均的有毒物質(zhì)（例如重金屬和鹽）？其機(jī)制如何？目前尚不清楚。

 

　　該研究首先發(fā)現(xiàn)，在局部的重金屬（鎘、銅、鉛）和鹽（NaCl）脅迫處理下，脅迫區(qū)域水稻根系生長(zhǎng)受抑制，而無(wú)脅迫區(qū)域根系快速形成大量側(cè)根。植物通過(guò)這一生長(zhǎng)策略向無(wú)脅迫區(qū)域投資根系生物量，進(jìn)而規(guī)避局部的重金屬或鹽脅迫。

 

　　進(jìn)一步研究表明，局部的重金屬鎘脅迫可以快速誘發(fā)根尖ROS爆發(fā)，并同時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)性ROS信號(hào)傳遞給無(wú)脅迫區(qū)域的根系。在脅迫一側(cè)施加活性氧清除劑N-乙酰-L-半胱氨酸（NAC）可以抑制鎘暴露誘發(fā)的根尖ROS爆發(fā)，同時(shí)也阻斷了系統(tǒng)性ROS信號(hào)向無(wú)脅迫區(qū)域根系的傳播，最終抑制了根系規(guī)避局部鎘脅迫的現(xiàn)象。這些結(jié)果表明局部脅迫誘發(fā)的ROS響應(yīng)與系統(tǒng)性ROS傳播對(duì)于根系規(guī)避脅迫必不可少。此外，采用鈣信號(hào)報(bào)告基因轉(zhuǎn)基因材料以及鈣信號(hào)抑制劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈣信號(hào)通過(guò)調(diào)節(jié)ROS也參與根系規(guī)避局部重金屬脅迫。

 

　　通過(guò)一系列的生理及基因轉(zhuǎn)錄分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)定位于質(zhì)膜的呼吸氧爆發(fā)同源酶OsRBOHA和OsRBOHI在轉(zhuǎn)錄水平上受鎘脅迫誘導(dǎo)上調(diào)。敲除OsRBOHA和OsRBOHI可以顯著抑制局部鎘脅迫誘導(dǎo)的ROS響應(yīng)和系統(tǒng)性ROS信號(hào)的傳播，同時(shí)減弱了根系規(guī)避局部鎘脅迫的能力，表明OsRBOHA和OsRBOHI在ROS介導(dǎo)的根系規(guī)避局部脅迫中起重要作用。隨后，利用生長(zhǎng)素報(bào)告基因株系、生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)和信號(hào)突變體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合激素生理實(shí)驗(yàn)以及轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性ROS信號(hào)傳播到無(wú)脅迫區(qū)域的根系后，促進(jìn)了生長(zhǎng)素信號(hào)以及細(xì)胞壁重塑基因的表達(dá)，從而加速側(cè)根的快速形成與伸長(zhǎng)。

 

　　綜上所述，該研究揭示了水稻通過(guò)RBOH-ROS-Auxin信號(hào)通路模塊重塑根系構(gòu)型以規(guī)避免分布不均的重金屬和鹽脅迫。該脅迫規(guī)避策略有望被利用于提高作物對(duì)異質(zhì)土壤環(huán)境的適應(yīng)性，增強(qiáng)作物根系避免土壤中重金屬富集斑塊的能力，減少有毒金屬在糧食作物中的積累，從而保障食品安全。

 

　　資環(huán)學(xué)院博士生王漢卿為該論文的第一作者，趙方杰教授為通訊作者。博士生趙星宇、宣偉教授和汪鵬教授參與了該項(xiàng)研究工作。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)和江蘇省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目的資助。

 

　　全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.09.007