南京农业大学资环学院赵方杰教授团队揭示水稻根毛形成、抗旱和分蘖关键基因

近日，Plant Cell & Environment在线发表了南京农业大学赵方杰教授团队题为“The Respiratory Burst Oxidase Homologue OsRBOHE is crucial for root hair formation, drought resistance and tillering in rice”的研究论文。该研究揭示了水稻呼吸爆发氧化酶同源物OsRBOHE在水稻根毛形成、抗旱和分蘖中的重要作用，并揭示了水稻根毛在磷获取的局限性作用。
 
　　根毛是从根表皮细胞分化而来的管状突起，是植物根系的重要组分。由于根毛的形成大大增加了根系的表面积，因此普遍认为根毛对植物获取土壤中的水分和磷素营养十分重要。在模式植物拟南芥中，根毛发育机理被广泛研究。根毛的形成受特定的转录因子模块控制，同时也受到多种植物激素（乙烯、生长素等）和信号分子（钙信号和活性氧等）的调节。相比之下，对作物根毛形成机制的研究较少。
 
　　呼吸爆发氧化酶同源物（RBOH）在活性氧（ROS）的产生中发挥重要作用，并因此参与植物生长发育过程，影响植物的抗逆性。拟南芥有三个RBOH参与根毛的形成。为了探索OsRBOH在水稻根毛发育中的作用，该研究首先定量了水稻基因组中9个OsRBOH基因在根系中的转录水平，发现6个OsRBOH基因在根系中表达。进一步采用CRISPR/Cas9技术创制了这6个OsRBOH基因的敲除突变体。表型分析结果显示，OsRBOHE 基因突变导致根毛长度降低90%、根毛密度降低50%、分蘖降低30%、籽粒产量降低30%。敲除其余五个OsRBOH基因对水稻根毛发育没有显著影响。
 
　　亚细胞定位结果显示，OsRBOHE蛋白定位在质膜上。OsRBOHE启动子连接β-葡萄糖苷酸酶（GUS）的活性分析显示，OsRBOHE在根表皮细胞和根毛中强烈表达，在分蘖芽中也有表达。采用ROS荧光探针H2DCFDA监测野生型和osrbohe突变体根毛和分蘖芽中的ROS水平。与野生型相比，osrbohe突变体根毛和分蘖芽的ROS水平显著降低，表明OsRBOHE在根毛表皮细胞和分蘖芽中产生ROS，从而影响其发育。
 
　　进一步采用RNA-seq分析了野生型和三个 osrbohe株系根系的差异表达基因（DEGs），发现DEGs主要富集在应激反应、胞外区域、氧化还原酶活性、过氧化氢分解过程和细胞壁生物合成等类别中。在三个osrbohe株系中，细胞壁生物合成途径的 DEGs均显下调，其中包括几个已知的控制根毛发育的基因，表明OsRBOHE通过影响细胞壁重塑以控制根毛形成。
 
　　为了评估根毛在水稻磷获取中的作用，设置了高、低磷土壤淹水和旱作四种处理。野生型和osrbohe株系在低磷土壤淹水或旱作条件下严重缺磷，生长受阻。在低磷土壤且旱作条件下，osrbohe株系的地上部磷浓度和磷积累量均显著低于野生型，而在低磷土壤淹水和高磷土壤淹水或旱作条件下，野生型和osrbohe株系地上部磷浓度和磷积累量均无显著差异，表明水稻根毛只在低磷土壤旱作条件下对磷的获取起作用。
 
　　进一步比较了野生型和osrbohe株系抗旱性差异。正常淹水处理下，野生型与osrbohe株系生长无显著差别，停止浇水12天后，突变体表现出比野生型更严重的萎蔫和干枯症状。复水三天后，突变体的存活率仅为野生型的6%，表明OsRBOHE功能丧失严重损害了水稻的抗旱性。干旱处理6天后，野生型的根毛长度显著增加，osrbohe株系的根毛长度仅为野生型的20%。根鞘是由于根毛和粘液粘附而附着在根表面的土壤，干旱处理6天后，osbohe株系根鞘重量仅为野生型的30%。干旱处理9天时，野生型的根和根毛状态良好，而osrbohe株系的根系萎蔫。这些结果表明，osbohe株系根毛发育和根鞘形成受阻，与土壤颗粒接触减少，导致其抗旱能力大幅度降低。
 
　　综上，该研究揭示了OsRBOHE在根毛形成和分蘖中的作用及其对抗旱性、低磷土壤旱作条件下磷的获取和籽粒产量的影响。该研究为后续探究OsRBOHE基因在水稻种质间的自然变异，进行水稻抗旱性和分蘖性遗传改良提供重要基础。
 
　　南京农业大学资环学院博士研究生赵星宇为论文的第一作者，赵方杰教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目支持。
 
　　文章链接：DOI: https://doi.org/10.1111/pce.15114




日期：2024-10-16