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我國(guó)學(xué)者破解植物根系應(yīng)答土壤鐵毒逆境的分子生理機(jī)制

作者:宋檢 時(shí)間:2022-12-07 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

鐵毒是熱帶和淹水土壤常見(jiàn)的障礙因子。植物發(fā)生鐵毒害時(shí),根系生長(zhǎng)受阻,嚴(yán)重時(shí)根系腐壞死亡(Becker and Asch, 2005, Journal of Plant Nutrition and Soil Science 168: 558-573)。然而,人們對(duì)鐵毒抑制植物根系發(fā)育的生物學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)還很初步,也不利于對(duì)土壤鐵毒逆境下保根壯苗等農(nóng)藝技術(shù)的研發(fā)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,國(guó)際多個(gè)研究組開(kāi)始對(duì)植物鐵毒害的分子機(jī)制進(jìn)行相關(guān)探討。

中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所施衛(wèi)明研究員課題組長(zhǎng)期關(guān)注根系鐵毒害分子響應(yīng)機(jī)制,分別在鐵毒抑制植物的根系伸長(zhǎng)、側(cè)根形成及根系鉀穩(wěn)態(tài)平衡的分子生理機(jī)制等方面取得一系列進(jìn)展。相關(guān)結(jié)果陸續(xù)發(fā)表在Plant Physiology(Li Guangjie et al., 2015, 植物科學(xué)1區(qū),IF=5.9), Journal of Experimental Botany(Li Guangjie et al., 2015, 植物科學(xué)1區(qū),IF=5.4)上。發(fā)表在Plant Physiology的文章,受到植物科學(xué)期刊Plant Signal and Behavior主編邀請(qǐng)撰寫(xiě)其相關(guān)評(píng)論(Li Guangjie et al., 2016)。上述研究明確了鐵毒抑制根系發(fā)育的調(diào)控位點(diǎn)是根尖區(qū),分析了根系響應(yīng)鐵毒逆境中關(guān)鍵信號(hào)通路,明確了PIN2基因參與鐵毒逆境抑制的側(cè)根起始過(guò)程,并揭示了根系自身拮抗鐵毒的乙烯-AUX1機(jī)制。相關(guān)成果得到了國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注,受Frontiers in Plant Science期刊邀請(qǐng)撰寫(xiě)發(fā)表了題目為“The Response of the Root Apex in Plant Adaptation to Iron Heterogeneity in Soil”的綜述(Li Guangjie et al., 2016,植物科學(xué)2區(qū),IF=3.7)。文章中用到的新型分根研究方法,也受到國(guó)際知名的方法學(xué)期刊Bio-Protocol的邀請(qǐng)撰寫(xiě)了詳細(xì)的介紹文章(Li Guangjie et al., 2017)。

上述研究證實(shí)根尖區(qū)是根系生長(zhǎng)響應(yīng)鐵毒脅迫的關(guān)鍵位點(diǎn),而且比根系其它區(qū)段對(duì)鐵毒脅迫更加敏感。但是為何根尖區(qū)會(huì)對(duì)鐵毒脅迫更加敏感,仍未探究清楚。圍繞該科學(xué)問(wèn)題,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了更深入研究,并取得了重要進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn),鐵毒脅迫引發(fā)根尖區(qū)細(xì)胞一氧化氮(NO)上升后誘導(dǎo)了SNO1 (sensitive to nitric oxide 1)//SOS4活性增強(qiáng),進(jìn)而加劇非選擇性離子通道(NSCC)介導(dǎo)的鉀離子外流,造成根尖細(xì)胞鉀離子失衡,從而導(dǎo)致了根尖區(qū)對(duì)鐵毒脅迫非常敏感。有意思的是,補(bǔ)充供鉀可以一定程度上緩解鐵毒脅迫,但是因?yàn)闆](méi)有清除鐵毒脅迫誘導(dǎo)的NO信號(hào)和SNO1/SOS4活性,因此,并不能徹底解除鐵毒對(duì)根系的傷害。研究結(jié)果也說(shuō)明了,抑制NO信號(hào)和SNO1/SOS4活性以及補(bǔ)施鉀肥都對(duì)提升植物抵御土壤鐵毒逆境有重要作用,但在源頭上抑制鐵毒誘導(dǎo)的NO信號(hào)和SNO1/SOS4活性更為重要和有效。相關(guān)結(jié)果已在植物科學(xué)一區(qū)期刊New Phytologist(Zhang Lin and Li Guangjie et al., 2018, IF=7.4)發(fā)表。施衛(wèi)明研究員課題組張琳博士和李光杰博士為文章共同**作者,施衛(wèi)明研究員為文章通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院領(lǐng)域前沿項(xiàng)目資助。

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