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甘银波教授揭示乙烯通过影响生长素信号通路来参与铬对根发育的调节

 2018年3月2日Plant, Cell & Environment在线发表了浙江大学农业与生物技术学院甘银波教授课题组题为“Ethylene mediates dichromate induced inhibition of primary root growth by altering AUX1 expression and auxin accumulationin Arabidopsis thaliana”的研究论文。


       铬(Cr)是地表的第七大重金属,在土壤中会以三价铬[Cr(Ⅲ)]和六价铬[Cr(Ⅵ)]两种形式存在,其中[Cr(Ⅵ)]对植物具有很强的毒害作用,造成种子萌发率降低、主根伸长受到抑制、叶片数目减少等一系列的问题,此外,[Cr(Ⅵ)]会在粮食中积累,严重影响了粮食安全。因此,研究植物如何响应[Cr(Ⅵ)]对农业生产具有重要的理论指导意义。

生长素(Auxin)是一类重要的植物激素,近年来的研究表明许多非生物胁迫通过影响生长素的极性运输来改变生长素在根中的浓度和分布,进而抑制根的发育,比如铝(Al)和一些重金属(Cd)通过调控生长素转运相关蛋白AUX1和PIN2来抑制根的伸长。

乙烯(Ethylene)在植物响应非生物胁迫中也起到了重要的作用,在乙烯信号通路中,ETR1是受体,EIN2是正调控组分。此外,也有研究表明外源施加ACC(乙烯合成前体)会抑制主根伸长,同时会激活AUX1PIN2的表达,这同时也说明在乙烯和生长素在根发育过程中存在交互作用。


1. [Cr(Ⅵ)]通过调节细胞周期相关基因来抑制主根伸长

2. 乙烯信号通路参与[Cr(Ⅵ)]对根发育的抑制:外源施加乙烯信号拮抗剂Ag会减轻[Cr(Ⅵ)]抑制根发育的程度;RT-PCR和GUS表明[Cr(Ⅵ)]激活了乙烯信号通路中的正调因子;乙烯不敏感突变体ein2-1etr1-3对[Cr(Ⅵ)]的响应较Wt不明显。


3. 乙烯的合成也参与[Cr(Ⅵ)]对根发育的抑制:外源施加ACC会抑制根的伸长;[Cr(Ⅵ)]激活乙烯合成过程中关键基因的表达;乙烯合成抑制剂Co和AVG会回复[Cr(Ⅵ)]对根发育的抑制;此外,乙烯过量产生突变体eto-1会对[Cr(Ⅵ)]很敏感,加重[Cr(Ⅵ)]对根的抑制。

4. [Cr(Ⅵ)]通过影响生长素的极性运输和在根尖的分布来抑制主根的发育

用[Cr(Ⅵ)]处理后发现生长素在根尖中积累(用DR5::GUS的活性显示);IAA单独处理也能抑制根的发育,同[Cr(Ⅵ)]起协同作用;施加生长素转运抑制剂NPA能够回复[Cr(Ⅵ)]对根发育的抑制且生长素极性运输突变体aux1-7对和[Cr(Ⅵ)]的处理不敏感。


5. 乙烯与[Cr(Ⅵ)]通过协同作用影响生长素在根尖中的积累:

用ACC和[Cr(Ⅵ)]处理后发现生长素在根尖中积累加剧;Ag和Co会抑制[Cr(Ⅵ)]处理后生长素的积累;生长素极性运输突变体aux1-7对ACC和[Cr(Ⅵ)]的处理均不敏感。


6. 乙烯与[Cr(Ⅵ)]通过协同作用影响生长素转运基因AUX1在根尖中的表达:

[Cr(Ⅵ)]会激活AUX1的表达,通过AUX1-YFP的荧光程度来表示;

ACC和[Cr(Ⅵ)]同时处理,AUX1的表达更强;在ein2-1etr3-1中,以及用Ag和Co处理,都会抑制[Cr(Ⅵ)]对AUX1表达的激活。

结论:研究人员发现[Cr(Ⅵ)]通过激活生长素转运蛋白基因AUX1的表达使生长素在根尖极性积累,进而抑制主根的伸长发育;此外,乙烯在这个过程中和[Cr(Ⅵ)]起到协同作用;也表明乙烯和生长素存在交互作用,共同调节根的发育

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