朱雄梅,蔡慧楠,劉瑞琪,林佩錦,郞雙怡,黃悅, 鄧舒琪,莫億偉*,金晨鐘*
(1. 湖南人文科技學院農(nóng)田雜草防控技術與應用協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 婁底 417000;2. 紹興文理學院生命科學學院,浙江 紹興 312000)
植物根系主要由兩部分組成,一種起源于胚根的初生根,另一種在主根上形成側根及生長于成熟組織的不定根。側根和根毛的形成均受到多種植物激素調(diào)控[1-2],特別是生長素(IAA)在側根的起始分化和形成中起著關鍵作用[3],而根系的IAA 源于地上部分向根部運輸,當IAA 向根部運輸增多時則利于更多側根形成[4];當IAA 極性運輸受阻,側根的數(shù)量則顯著下降[5]。一氧化氮(Nitric oxide,NO)在參與植物逆境調(diào)節(jié)和側根發(fā)育中均起著重要作用,植物體內(nèi)的NO 合成有兩種途徑,一種是依賴亞硝酸還原途徑依靠硝酸還原酶1(NIA1) 和硝酸還原酶2(NIA2),另一種是依靠L-精氨酸的氧化途 徑[6-7]。有研究表明,提供外源NO 供體硝普鈉(Sodium nitroprusside,SNP)時,可使番茄側根原基及側根數(shù)量顯著增多[8];當受NO 合成酶(NOS)抑制劑(N’-硝基-L-精氨酸甲酯鹽酸鹽,L-NAME)處理時,根系NO 含量顯著降低并抑制側根形成[9]。基于IAA 和NO 在側根形成過程中均起到重要的調(diào)控作用,但這兩種信號物質(zhì)相互調(diào)節(jié)機制尚未弄清,有的研究認為NO 是IAA 的上游信號物質(zhì),因為在擬南芥葉片發(fā)育中發(fā)現(xiàn),NO 可調(diào)控IAA 極性運輸輸出載體PIN1 蛋白積累于葉原基處,從而促進葉片形成[10-11];有的研究則認為NO 是IAA 的下游信號物質(zhì),因為用NOS 抑制劑L-NAME 或NO 清除劑(2-(4-羧基苯基)-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧基-3-氧化物鉀鹽,cPTIO)處理后可抑制IBA 對側根的誘導,且NAA 可通過誘導NO 的合成促進番茄側根發(fā)育[12]。此外,活性氧(Reactive oxygen species, ROS)作為一種信號分子,在植物生長發(fā)育和激素信號調(diào)控中起著重要作用,如ROS 增多也可促進側根及根毛形成[13-14]。由此說明,IAA、NO和O2·-在調(diào)控側根形成過程中均有著重要作用,但前人的相關研究結果主要來源于雙子葉模式植物擬南芥等,在水稻等主要農(nóng)作物則研究較少。前人為了更直觀地探討IAA 定位和功能的關系,有研究發(fā)現(xiàn),DR5 比天然的IAA 反應元件(AuxREs)具有更強的IAA 反應能力,表達活性可增加5~10 倍[15], 以DR5 為啟動子與報告基因重組,構建成IAA 響應報告基因DR5::GUS,轉(zhuǎn)入植物體獲得轉(zhuǎn)基因植株,已成為研究IAA 的定位及其作用的良好工具[16],利用DR5::GUS 報告基因研究IAA 的分布已在擬南芥[11]、水稻[17]和棉花[18-19]等多種植物得到應用。水稻是重要的糧食作物,側根形成的水平直接影響水稻植株對養(yǎng)分的吸收能力,本研究以DR5-GUS標記轉(zhuǎn)基因水稻為材料,深入探討IAA、NO 和O2·-對水稻側根形成的影響,以期提高水稻根系的養(yǎng)分利用效率。
DR5::GUS 標記的轉(zhuǎn)基因水稻(Oryza sativa L.)由華中農(nóng)業(yè)大學王學路教授饋贈,SNP、NO 合成酶抑制劑(L-NAME)、2-(4-羧基苯基)-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧基-3-氧化物鉀鹽(cPTIO)、NO 熒 光 探 針(5,6-Diaminofluorescein diacetat,DAF-2DA)、IAA 檢測的DR5::GUS 報告基因染色液均購自生工生物工程(上海)股份有限公司。水稻種子浸種和催芽后,選擇種子根長約為0.5 cm 生長一致的幼苗,置于含兩層濾紙的培養(yǎng)皿中,加入1/50 MS 微量元素培養(yǎng)溶液(以防單鹽毒害),保持根系置于培養(yǎng)液中進行相應的處理。
為研究NO 供體及NO 清除劑對水稻種子根根系生長的影響,設計了如下三組試驗。1)為了探討外源NO 供體對側根形成的影響,設計在1/50 MS 微量元素培養(yǎng)溶液中分別加入0(對照)、5、10、15、20 和25 μmol/L SNP 的處理。2)為了探討NO 合成酶抑制劑對側根形成的影響,設計在1/50 MS 微量元素培養(yǎng)溶液中分別加0(對照)、50、100、200、400、800 μmol/L NO 合成酶抑制劑的處理。3)為了探討NO 清除劑對側根形成的影響,設計在1/50 MS 微量元素培養(yǎng)溶液中分別加0(對照)、50、100、200、400、800 μmol/L cPTIO 的處理。
所有處理組均置于光照培養(yǎng)箱中,每個處理設置4 個生物學重復,每個培養(yǎng)皿放置8 粒種子。光照培養(yǎng)箱的溫度設置為28 ℃,光照強度為 500 μmol/(m2·s),每天13 h 光照,11 h 黑暗,相對濕度為85%。每天補充相應溶液,在處理的第3 d和第5 d,分別測量初生根、側根、冠根的長度及數(shù)量。
1.3.1 NO 染色 經(jīng)上述處理后,第3 d 剪取開始出現(xiàn)側根生長的初生根,參考Sánchez-Vicente 等[10]的方法,用100 mmol/L pH7.2 的磷酸鈉緩沖液配制成10 μM DAF-2DA 溶液,在25 ℃黑暗條件下對根系染色30 min,再用ddH2O 浸泡3 次,每次5 min,以洗掉材料表面的染料,置于顯微鏡下觀察并照相。
1.3.2 GUS 染色 參考胥華偉[20]等用GUS 染色法確定IAA 在側根的定位,具體方法為根系材料用GUS 染色液(100 mmol/L pH7.2 磷酸鈉緩沖液、0.5 mmol/L 高鐵氰化鉀、0.5 mmol/L 亞鐵氰化鉀、1.0 mmol/L X-gluc 和2.0% DMSO)在37 ℃染色2 h 后,經(jīng)ddH2O 浸泡3 次,每次5 min,以洗掉材料表面的染料,置于顯微鏡下觀察并照相。
1.3.3 NBT 染色 將根系材料置于NBT 染液中(100 mmol/L pH7.2 磷酸鈉緩沖液,NBT 濃度為0.1mg/mL), 室溫染色1.5 h,倒掉染色液,再用ddH2O 浸泡3次,每次5 min,以洗掉材料表面的染料后,置于顯微鏡下觀察并照相。根據(jù)染色的程度判斷各處理對NO、IAA 和O2·-在側根起始部位分布的影響。
取上述不同SNP 及NO 合成酶抑制劑處理3 d的幼苗初生根(基部1.5 cm 內(nèi)能形成側根的部分),通過Takara RNA 提取試劑盒提取RNA,反轉(zhuǎn)錄成cDNA,-20 ℃保存?zhèn)溆谩⒖糧hou 等[21]方法,利用實時熒光定量PCR 分析與NO 合成相關的硝酸還原酶1(OsNIA1)和硝酸還原酶2(OsNIA1)表達情況,以水稻Actin1 作為內(nèi)參基因OsActin1 (LOC_Os03g50890),具體引物設計如下:OsNIA1 引物為:F:5′-CCAATTCTTTCATCGTGTTCT-3′,R:5′-CATG CAGCATTTCGTTTCT-3′;OsNIA2 引物為:F:5′-AC TGGTGCTGGTGCTTCTGG-3′,R:5′-CGGCTGGG TGTTGAGGGACT-3′;Actin1 引物為:F:5′-CAACA CCCCTGCTATGTACG-3′,R:5′-CATCACCAGAGTC CAACACAA-3′。熒光定量PCR 試劑盒為Thermo Scientific DyNAmo ColorFlash SYBR Green qPCR Kit (Thermo),儀器為Stratagene Mx3005P 熒光定量PCR 儀,反應體系及條件參照試劑盒說明書進行。以上實驗至少重復5 次,結果用平均值±SD 表示,用SPSS16.0 軟件進行單因素方差分析。
從表1 可知,SNP 處理濃度為5 μmol/L 時,在處理后的第3 d 和第5 d,初生根長、側根和冠根的數(shù)量與對照相比無顯著差異(P >0.05);當SNP處理濃度達10 μmol/L 以上時,隨著SNP 處理濃度的增加,初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量也逐漸增大,各處理初生根長度、側根數(shù)量及冠根數(shù)量均顯著大于對照處理。其中以SNP 處理為20 μmol/L時效果最佳,在處理后的第3 d,初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對照處理提高59.95%、26.89%和67.80%,均達顯著性差異(P <0.05);在處理后的第5 d, 初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對照處理提高28.04%、25.37%和65.49%,均達顯著性差異(P <0.05)。但當SNP 濃度達25 μmol/L 時,與20 μmol/L 的使用濃度相比,對初生根長度、側根數(shù)量及冠根數(shù)量不再有顯著促進作用(P >0.05),結果表明水稻幼苗根系生長需要NO信號的參與。
表1 硝普納處理對初生根長度、側根及冠根數(shù)的影響Table 1 The effects of SNP treatment on primary root length, lateral root and crown root number
從表2 可知,當NO 合成酶抑制劑為50 μmol/L 時,在處理后的第3 d 和第5 d,初生根長、側根和冠根的數(shù)量與對照相比無顯著差異(P >0.05);當NO 合成酶抑制劑達100 μmol/L 以上時,隨著NO合成酶抑制劑處理濃度的增加,初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量也逐漸減小。NO 合成酶抑制劑濃度達100 μmol/L 以上時,各處理的初生根長度、側根數(shù)量及冠根數(shù)量均顯著低于對照處理。其中以NO 合成酶抑制劑為800 μmol/L 時效果最佳,如在處理后的第3 d,初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對照處理降低30.96%、56.94%和55.05%,均達顯著性差異(P <0.05);在處理后的第5 d 時,初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對照處理降低51.38%、64.12%和58.59%,也均達顯著性差異(P <0.05)。結果表明NO 合成受到抑制時,也抑制了根系的生長。
表2 NO 合成酶抑制劑處理對初生根長度、側根及冠根數(shù)的影響Table 2 The effects of NO synthetase inhibitor treatment on primary root length, lateral root and crown root number
從表3 可知,當NO 清除劑為50 μmol/L 時,在處理的第3 d 和第5 d,初生根長、側根和冠根的數(shù)量與對照相比無顯著差異(P >0.05);當NO清除劑達100 μmol/L 以上時,隨著NO 清除劑處理濃度的增加,初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量也逐漸減小。當NO 清除劑cPTIO 濃度達100 μmol/L 以上時,各處理的初生根長度、側根數(shù)及冠根數(shù)均顯著低于對照處理,其中以800 μmol/L NO 清除劑cPTIO 處理的效果最佳,如在處理后的第3 d,初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對照處理降低49.80%、56.26%和76.75%,均達顯著性差異 (P <0.05);在處理后的第5 d 時,初生根長度、側根數(shù)量和冠根數(shù)量分別比對照處理降低56.67%、56.61%和55.41%,均達顯著性差異(P <0.05)。結果表明,當根系的NO 受到cPTIO 清除后,初生根、側根及冠根的生長均受到抑制作用。
表3 NO 清除劑處理對初生根長度、側根及冠根數(shù)的影響Table 3 The effects of NO scavenger treatment on primary root length, lateral root and crown root number
從圖1 可知,經(jīng)SNP 處理后,結果發(fā)現(xiàn)NO 在根表皮及根內(nèi)大部分細胞均有分布,主要集中分布于側根形成部位和側根根尖部分,且熒光強度越大,表示NO 含量越高。與對照相比,外源SNP 處理后,NO 熒光強度明顯大于對照處理。受NO 合成酶抑制劑和清除劑處理后,染色程度明顯下降。側根清除處理后起始部位的NO 含量明顯減少,且NO 的熒光強度最淺,側根數(shù)量少而短(圖1),結果表明當NO 積累減少,側根數(shù)量下降。
圖 1 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對NO 分布的影響Fig. 1 The effects of SNP, NO synthetase inhibitor and scavenger treatments on NO distribution
圖 2 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對IAA 分布的影響Fig. 2 The effects of SNP, NO synthetase inhibitor and scavenger treatments on IAA distribution
從圖2 可知,經(jīng)SNP 處理后,通過對DR5:: GUS 標記水稻側根起始部位染色,結果發(fā)現(xiàn)IAA主要分布在根的維管束部位,極性分布于側根形成部位和側根根尖部分,在初生根的維管束與側根形成起始部位,明顯看到染色較深,說明IAA 含量較多(圖2),與對照相比,外源的SNP 處理后,染色程度明顯大于對照處理。而受到NO 合成酶抑制劑和清除劑處理后,側根數(shù)量減少,染色程度明顯下降,以受NO 清除劑處理后,IAA 的GUS染色最淺,結果表明由初生根向側根運輸IAA 含量明顯減少,IAA 極性積累于側根起始形成部位,有益于側根形成,當IAA 積累減少,側根形成量顯著下降。
經(jīng)SNP 處理后,用NBT 對水稻側根的起始部位染色,結果發(fā)現(xiàn)O2·-主要分布在根的維管束部位,極性分布于側根形成部位及側根根尖部分,在初生根維管束與側根形成起始部位,明顯看到染色較深,表明O2·-含量較多(圖3)。與對照相比,外源SNP處理后,染色程度明顯大于對照處理。受到NO 合成酶抑制劑和清除劑處理后,O2·-染色程度明顯下降。表明O2·-極性積累于側根起始形成部位,有益于側根形成,當O2·-積累減少時,側根的形成量顯著下降。
從圖4 可知,隨著SNP 處理濃度的增加,對基因OsNIA1 和OsNIA2 相對表達量的促進作用逐漸增大。當SNP 達10 μmol/L 以上時,各處理濃度均可顯著提高OsNIA1 和OsNIA2 基因的表達(P <0.05)。如當SNP 濃度為15 μmol/L、20 μmol/L和25 μmol/L 時,OsNIA1 表達量分別比對照處理增 加 了107.65%、88.82% 和79.41%(P <0.05),OsNIA2 表達量分別比對照處理增加了109.36%、152.71%和146.31%(P <0.05)。表明外源SNP 能促進與NO 合成相關基因OsNIA1 和OsNIA2 的表達,且當SNP 濃度達到15 μmol/L 時,對OsNIA1誘導效果最好,而SNP 濃度超過20 μmol/L 時,對OsNIA2 誘導效果最佳。
圖 3 SNP、NO 合成酶抑制劑及清除劑處理對側根O2·-分布的影響Fig. 3 The effects of SNP, NO synthetase inhibitor and scavenger treatments on O2·- distribution
圖4 SNP 處理對OsNIA1 和OsNIA2 基因表達的影響Fig. 4 The effect of SNP treatment on the expression of OsNIA1 and OsNIA2
從圖5 可知,隨著NO 合成酶抑制劑處理濃度的增加,對基因OsNIA1 和OsNIA2 相對表達量的抑制作用逐漸增大。當NO 合成酶抑制劑達100 μmol/L 時,可顯著抑制OsNIA1 表達(P<0.05),對OsNIA2 表達沒有顯著影響(P>0.05),當NO 合成酶抑制劑達200 μmol/L 時,可顯著抑制OsNIA2 的表達(P<0.05),當NO 合成酶抑制劑濃度為800 μmol/L 時,對OsNIA1 和OsNIA2 的表達量受到的抑制作用最大,分別比對照下降63.85%和60.58%(P<0.05)。表明外源NO 合成酶抑制劑可抑制與NO 合成相關基因OsNIA1 和OsNIA2 的表達。
從圖6 可知,當SNP 處理濃度低于5 μmol/L時,對NO 的含量無促進作用,與對照相比無顯著性差異(P >0.05)。當SNP 達10 μmol/L 以上時,隨著SNP 處理濃度的增加,對NO 含量的促進作用也逐漸增大,如SNP 濃度為10 μmol/L、15 μmol/L、20 μmol/L 和25 μmol/L 時,NO 含量則分別比對照增加了45.99%、78.17%、96.43%和71.42%,均達顯著性差異(P<0.05),其中當SNP 濃度為20 μmol/L處理時,NO 含量最高,當濃度達25 μmol/L 時,NO 含量又有所下降。進一步探究SNP 處理對側根形成部位O2·-產(chǎn)生速率的影響時發(fā)現(xiàn),當SNP 處理濃度低于5 μmol/L 時,對O2·-的產(chǎn)生速率無促進作用,與對照相比無顯著性差異(P >0.05)。當SNP 達10 μmol/L 以上時,隨著SNP 處理濃度增加,對NO 含量和O2·-產(chǎn)生速率的促進作用也逐漸增大,如在SNP 濃度為10 μmol/L、15 μmol/L、20 μmol/L和25 μmol/L 時,O2·-產(chǎn)生速率分別比對照增加了64.07%、131.13%、208.98%和174.65%,均達顯著性差異(P<0.05),當SNP 濃度為20 μmol/L 處理時,O2·-產(chǎn)生速率最大,當濃度達25 μmol/L 時,O2·-產(chǎn)生速率又有所下降。
圖 5 NO 合成酶抑制劑處理對OsNIA1 和OsNIA2 基因表達的影響Fig. 5 The effect of NO synthetase inhibitor treatment on the expression of OsNIA1 and OsNIA2
圖 6 SNP 處理NO 含量及O2·-產(chǎn)生速率的影響Fig. 6 The effect of SNP treatment on NO content and O2·-generation rate
本研究結果證實,水稻側根形成需要NO 信號調(diào)控,且需要NO、IAA 和O2·-極性積累于側根的起始部位。當有外源的SNP 供體時,NO 在側根形成部位的熒光強度與對照組相比顯著增強,當受到NO 合成酶抑制劑或NO 清除劑處理后,水稻側根部位的NO 熒光強度顯著減弱,同時IAA 和O2·-在側根起始部位的積累也顯著降低,表明側根數(shù)量和長度均受到顯著抑制,當清除NO 時,側根的數(shù)量顯著下降[22]。研究結果表明,O2·-和IAA 極性積累于側根起始部位受到NO 信號調(diào)節(jié),受NO 供體SNP 處理后,能夠促進IAA 和O2·-極性積累于側根起始部位及根尖,從而誘導側根的發(fā)生頻率和快速生長。該研究結果與前人在擬南芥中發(fā)現(xiàn)IAA 在側根初始細胞的選擇、根原基發(fā)育和側根分生組織激活等過程中均起到關鍵作用的結論基本一致[23]。但這三種信號物質(zhì)如何選擇主根中的特定中柱細胞作為側根原基并促進側根發(fā)育的具體機制,還需深入研究。
通過對DR5-GUS 標記轉(zhuǎn)基因水稻IAA 進行GUS 染色發(fā)現(xiàn),IAA 主要分布在初生根中柱部位和側根根尖,而在初生根皮層細胞的含量很少,在無側根發(fā)育部位甚至無極性積累。當NO 供體SNP 濃度增加時,側根形成部位NO 含量也隨之增加,同時,IAA 的GUS 染色顯著加深,表明側根形成部位IAA 的積累也相應提高。因此,該研究結果證實了水稻側根發(fā)生確實需要IAA 極性積累于側根起始細胞才有利于側根的快速生長,這與前人的研究結果相似[24],且本研究結果也說明IAA 位于NO 的下游信號物質(zhì)。水稻側根的形成需要NO 調(diào)控IAA極性積累于側根起始部位,NO 信號是促進IAA 極性運輸還是加強了IAA 從頭合成再向側根原基的極性積累,還需深入研究。
此外,水稻根受外源NO 供體SNP 處理后,隨著NO 含量增加,側根形成部位及根尖的O2·-極性積累也增加,這與前人發(fā)現(xiàn)NO 在調(diào)控ROS 在植物體內(nèi)的代謝平衡有著重要作用的結論一致[25-26]。且有研究表明,NO 通過ONOO-來調(diào)控H2O2的信號,這與前人發(fā)現(xiàn)水稻種子萌發(fā)時受外源O2·-清除劑處理則可顯著抑制初生根生長的結果相似[27-28]。因為已有研究發(fā)現(xiàn),O2·-是植物生長的重要調(diào)節(jié)信號物質(zhì),在生長活躍區(qū)都有O2·-產(chǎn)生,當O2·-積累后可誘導SOD 活性增加,SOD 將O2·-轉(zhuǎn)化成H2O2,再在O2·-和H2O2信號下誘導側根的形成[29]。而且O2·-經(jīng)SOD 作用產(chǎn)生H2O2的同時也形成.OH 時,.OH可促進細胞壁木糖和果膠的裂解,從而促進細胞壁松動,進而促進細胞生長,當.OH 形成途徑受阻時,玉米根尖伸長區(qū)生長明顯受到抑制[30]。所以側根形成及快速生長均需O2·-信號的參與。當水稻幼苗NO 合成受到抑制或受清除時,O2·-在側根的積累量顯著下降,導致側根形成受阻,這與前人在NO 促進其他植物不定根形成的研究結果類 似[31]。當超表達O2·-供體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(Respiratory burst oxidase homologue, Rboh) 時,擬南芥的側根數(shù)量明顯增多,當Rboh基因表達受到抑制或突變時,側根數(shù)量顯著減少,當利用外源的KI 清除O2·-后,側根數(shù)量也顯著降低[14],說明側根形成也需要O2·-積累于側根的起始部位。Orman-Ligeza 等[14]進一步研究表明,外源IAA 和NAA 處理可顯著提高Rboh基因家族表達、Rboh 蛋白在側根原基積累可促進H2O2含量增加,從而誘導側根形成,且外源H2O2還能部分恢復生長素運輸aux1 和lax3 雙突變體的側根數(shù)量,由此說明O2·-作為IAA 下游信號物質(zhì)調(diào)控側根的形成,或存在著互作與協(xié)同關系[32]。因此,在NO 調(diào)控水稻側根形成過程中,可能是NO 先促進IAA 極性積累,再促進O2·-極性積累,從而利于側根形成。但水稻側根形成過程中,NO 信號調(diào)控IAA 和O2·-極性積累并促進側根形成的具體生理與分子機制還需要深入研究,特別是中側根原基起始細胞的選擇與NO 調(diào)控信號的關系也需深入探討。
1)水稻幼苗側根形成需要NO 信號參與,當提供外源的NO 供體SNP 時,可顯著促進IAA 和O2·-極性積累于側根原基起始細胞和側根的尖端,從而促進側根形成。當提供外源NO 合成受到抑制和清除劑時,降低了NO 在側根起始部位的積累,也顯著降低了側根數(shù)量。
2)在水稻幼苗側根形成過程中,IAA 可能是NO 的下游信號物質(zhì),O2·-則可能是IAA 的下游信號物質(zhì),他們共同調(diào)控側根的形成。
農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究2022年3期