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南京土壤所在植物根部耐受铵毒的分子生理機制研究方面取得進展

2021-07-06 分享到:

氮素是植物生長的必要大量元素,铵態氮(NH4+)和硝態氮(NO3)是植物吸收氮素的主要形態。在許多自然和農業生態系統中,NH4+是主要的氮素形態。然而,隨著工業化和城市化進程的快速發展,人工費貴和勞動力匮乏的問題也日益尖銳,爲節省勞動力或者增加肥效,農業生産中經常采用一些“近根施肥”、“集中施肥”、“膜覆蓋施肥”、“穴施”等增效措施和施肥方式;這些生産方式和農藝措施雖然符合農業實際生産需求,但也會造成短期內和施肥點的高NH4+濃度,形成NH4+毒脅迫環境,引發植物NH4+中毒。目前,NH4+毒脅迫已經成爲現代農業生産和農林生態系統中不可忽視的問題。而不提高植物的NH4+耐性,則無法從本質上提高植物的NH4+利用率。因此,除進一步改進生産方式以外,從植物自身入手,探索調控植物NH4+耐性的重要基因,以增強植物自身對NH4+的耐受性,是一個可選擇的重要途徑。因此,很有必要了解高NH4+脅迫影響植物生長的內在機理。

南京土壤所施衛明研究員課題組圍繞植物如何響應铵毒害的生理分子機制進行了長期且系統的研究。之前研究發現NH4+主要通過影響擬南芥根系伸長區來抑制初生根生長,而這與NH4+外流的升高有關,但尚不清楚其潛在的生理和分子變化過程。此外,轉錄調控是植物應對NH4+毒性的最重要機制之一,但對于轉錄因子如何參與該調控的具體分子機制仍有待研究。

此次研究利用NH4+處理和非處理的擬南芥根系爲材料進行RNA-seq檢測和分析,結果發現多個WRKY轉錄因子家族的轉錄水平受到明顯誘導,其中,WRKY46對NH4+響應最靈敏。pWRKY46::GUS染色結果顯示,高NH4+誘導根中,尤其是根尖部位WRKY46的上調。敲除及過表達株系表型分析表明,WRKY46主要在根伸長區部位發揮功能,並正調控高NH4+條件下的PR生長。

通過對不同遺傳材料(野生型、WRKY46突變體及過表達材料)根分生區和伸長區的NH4+淨通量進行檢測,結果發現WRKY46負調控根伸長區NH4+的外流。已知GDP-甘露糖焦磷酸化酶(NUDX9)通過調節蛋白N-糖基化而參與調控高NH4+下的主根生長。通過ChIP-qPCR、Y1H、EMSA及LUC活性檢測發現,WRKY46直接與NUDX9啓動子結合並負調控該基因的轉錄。隨後對不同遺傳材料根NH4+通量及糖基化水平的檢測表明NUDX9作用于WRKY46下遊並參與WRKY46依賴的高NH4+響應,但該過程還包含其他下遊靶基因的參與。

已有研究顯示,高NH4+下的主根生长抑制与生长素吲哚-3-乙酸(IAA)有关联,且WRKY46参与调控渗透/盐胁迫下根中IAA的含量(Diet al., 2021. Journal of Plant Physiology 261:153415; Ding et al., 2015. PlantJournal 84(1): 56-69)。通过pDR5::GUS检测发现,WRKY46表达差异所导致的NH4+敏感性差異與遊離IAA含量有關。進一步實驗結果顯示,WRKY46直接與IAA結合基因(GH3.1、GH3.6、UGT75D1、UGT84B2)的啓動子結合並抑制它們的轉錄,從而正調控遊離IAA含量以抑制根伸長區NH4+外流。此外,進一步通過IAA及生長素合成抑制劑L-犬尿素外源處理檢測發現,蛋白N-糖基化抑制的NH4+外流部分依賴于遊離IAA含量。

綜上所述,在高NH4+條件下,NH4+可誘導擬南芥中WRKY46轉錄因子的表達。隨後,WRKY46直接與GH3.1、GH3.6、UGT75D1和UGT84B2基因啓動子結合並抑制它們的表達,從而維持遊離態IAA含量和初生根的生長。與此同時,WRKY46通過抑制NUDX9轉錄以穩定蛋白質N-糖基化水平,推測結合態IAA水解酶在N-糖基化後保持穩定,從而促進高NH4+條件下的結合態IAA的水解,維持遊離IAA水平。總之,WRKY46通過抑制遊離IAA到結合態IAA的轉變和蛋白質N-糖基化來維持遊離IAA穩態,是培育高NH4+耐受作物品種的寶貴遺傳資源。

该研究成果发表在New Phytologist(IF2021=10.151)上,南京土壤所助理研究员狄东伟和副研究员李光杰分别为論文第一作者和通讯作者。研究得到了国家自然基金重点基金项目、青年基金项目、江苏省杰出青年基金项目等资助。

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转录因子WRKY46 调控根部铵毒耐性的分子生理机制