原创解读氧磷二烯酸还原酶基因的剂量差异调节小麦根系生长

　　近日，研究论文Dosagedifferencesin12OXOPHYTODIENOATEREDUCTASEgenesmodulatewheatrootgrowth对12氧磷二烯酸还原酶基因参与小麦根系生长的调控机制进行了深入的研究。
　　人口不断增长，小麦是全球粮食安全的重要作物，需要进一步提高小麦产量，但随着全球变暖，水资源压力造成的损失正在增加，并侵蚀着小麦改良其他领域的进展。土壤剖面的根深和生物量分布是适应水分胁迫的关键性状，已被优先用于提高小麦的抗旱性。然而，调控小麦这些性状的基因网络在很大程度上仍然未知。人们努力研究和改造小麦根系结构，以优化普通小麦（Triticumaestivum，基因组AABBDD）和硬粒小麦（T。turgidumssp。）的水分获取，基因组AABB）。
　　黑麦（SecalecerealeL。）是改善小麦性状的来源之一，1号染色体（1RS）向普通小麦（以下简称1RS。1BL）的渗入，这可以诱导更高的根系生物量，并在干旱胁迫下获得产量优势。不幸的是，这种易位降低了面包的烘焙品质。为了消除对品质的负面影响，20年前作者在小麦品种Pavon中开发了含有两个小麦1BS基因间区渗入的重组1RS染色体（以下简称1WW）。作者将建立好的1WW染色体导入1RS。1BLcv。Hahn进行了6次回交，然后生成了3个完整的1RS（1RS），近端1BS渐渗去除黑麦碱（1WR），或远端1BS渐渗恢复GliB1GluB3位点（1RW，图1A）。利用小麦90K芯片，作者验证了1RS和1RW的同源性为99。3。
　　随后，作者对1BS1RS重复对节根和叶的影响进行了研究分析，相对于1RS，1RW和1RW的叶片长度（图1C）和相对含水量（图1）没有显著差异，但根系长度（图1D）以及根和茎干重（图1）显著减少。甘露醇处理的所有性状均表现出极显著的差异，但基因型与甘露醇之间没有显著的相互作用（来源数据见图1），这表明两种基因型对甘露醇诱导的渗透胁迫的反应相似（图1D）。最后，我们测试了在没有1BS段渐渗的情况下，1RS重复对种子根结构的影响。为此，我们开发了一个二同体1RS添加系，其中有两个融合的1RS臂，形成Hahn1RS（diiso1RS，图1E）。携带额外1RS臂的植物的精根明显短于野生型植物（图1F、G及相关源数据），证实重复的1RS基因剂量足以诱导较短的种子根。图1：小麦黑麦基因库存及其对种子根长度的影响。
　　在缺失的1BS1RS区域中，有14个在根部中表达的高度可信的基因，作者对其中的4个12OXOPHYTODIENOATEREDUCTASESUBFAMILYIII（OPRIII）基因进行功能验证。这些基因编码参与JA合成的酶，其JAIle结合物是一种活性植物激素，被认为能够改变拟南芥和水稻的根结构以及对干旱的响应。过表达和基因编辑材料的表型表明，减少OPRIII剂量与种子根长度增加有关（图2）。OPRIII基因功能缺失突变和过表达对种子根系长度和结构的显著影响表明，OPRIII基因是导致1RS和1RW等基因系根系表型不同的原因，并可能是导致这两种基因在水分胁迫下田间表现不同的原因（图3）。图2：OPRIII基因功能缺失突变和过表达对根长的影响。图3：OPRIII基因过表达对根结构的影响。
　　作者进一步证实了，小麦OPRIIIB1、OPRIIIB2、OPRIIIB3和OPRIIIA2编码12氧植二烯酸还原酶。来自所有四个基因的表达蛋白使用NADPH能够显著降低12oxophytodienoicacid（OPDA），13epi12OPDA和4，5DDHJA底物（图4），这与前人研究一致。图4：OPRIII在JA生物合成中的作用。
　　作者在6DAG的种子根的末端1厘米测量了JAile及其前体JA和OPDA的生物活性。观察到JA和JAile在1RW中浓度相对于1RS增加2。5到3。3倍，UBI：：OPRIIIR5中增加了4。34。8倍（图4）。这些结果表明，在早期种子根系发育过程中，OPRIII基因剂量或表达的增加与JA和JAile的增加有关。然而，作者没有发现OPDA的显著差异。随后的分析表明，1RS和1RW之间根长和ROS分布的差异可能是由JAIle的变化介导的（图5）。最后，作者通过转录组分析，研究了OPRIII增加剂量或表达对转录组的影响（图6）。总的来说，OPRIII基因的功能解析为小麦和其他谷物的根结构改造设计提供了一个切入点。图5：异丁苯丙酸（Ibuprofen，IBU）对根生长的影响。图6：不同基因型的根尖转录组图谱。
　　原文链接：https：www。nature。comarticless4146702336248y