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利用Plantarray植物表型平台研究番茄的“避旱”反应

发布时间:2022-05-24 点击量:98

缺水抑制赤霉素积累促进番茄快速和长期的“避旱"反应

植物通过气孔关闭和抑制冠层生长来减少蒸腾作用以避免在干旱期间脱水。虽然脱落酸 (ABA) 在“避免干旱"中起主要作用,但先前的研究表明赤霉素 (GA) 也可能参与其中。在这里,我们在番茄 (Solanum lycopersicum) 中表明,缺水会抑制 GA 生物合成基因 GA20 氧化酶1 (GA20ox1) 和GA20ox2 的表达,并在叶子和保卫细胞中诱导 GA 失活基因 GA2ox7,导致生物活性 GA 水平降低。 GA 代谢的干旱调节由 ABA 依赖性和独立途径以及转录因子 DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT BINDING (DREB)、TINY1 介导。 GA20ox1 和 GA20ox2 中的突变由于较小的冠层面积而减少了水分流失。另一方面,GA2ox7 的缺失不影响叶片大小,但减弱了气孔对缺水的反应;在土壤脱水期间,ga2ox7 植物关闭气孔并减少蒸腾作用的时间晚于 WT,表明 ga2ox7 气孔对土壤脱水不敏感。总之,结果表明,干旱诱导的保卫细胞中的 GA 失活有助于土壤脱水早期阶段的气孔关闭,而叶片中 GA 合成的抑制主要促进冠层生长的长期减少以减少蒸腾面积。

使用快速有效的保卫细胞分离程序来检查缺水是否影响保卫细胞中的 GA 积累。采取这种快速程序是为了最大限度地减少分离过程对转录和激素代谢的影响。番茄 M82 (WT) 植物在正常灌溉制度下生长,或暴露于缺水 [15% 土壤体积含水量 (VWC)],然后从 3 号和 4 号叶子(自上而下)分离保卫细胞。用中性红染色的富含保卫细胞的样品的显微镜分析证实了保卫细胞的活力,但没有证实其余表皮细胞的活力。然后我们分析了富含保卫细胞的样品中的 GA 含量,发现缺水会显着降低生物活性 GA GA1 和 GA3 以及 C-20 中间体 GA12 的水平(图 1A,数据集 S1)。尽管 GA3 在植物中相当罕见(Hedden. 2020),但之前的研究表明其在番茄中的积累(Li et al. 2020)。生物活性GA4的水平远低于GA1和GA3,在干旱处理中略高但不显着。

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图1.干旱抑制保卫细胞和叶组织中的GA 生物合成

由于缺水会上调保卫细胞中GA2ox7 的表达,我们检查了 GA2ox7 活性对气孔关闭的重要性。ga2ox7 突变体最近在番茄中得到表征。该突变体具有延长的上胚轴但具有WT气孔密度的正常叶子(图2A)。在正常灌溉下,GA2ox7 的损失对基础气孔孔径、蒸腾速率和气孔导度没有影响。然而,当ga2ox7 植物暴露在缺水条件下时,它们表现出的“抗旱性"降低;它们在 WT 之前枯萎并且表现出叶片相对含水量的更快下降(RWC,图 2A 和 B)。然后我们检查了快速失水是否是由缺水条件下较高的蒸腾速率引起的。我们分析了使用一系列蒸渗仪在温室中生长的WT和 ga2ox7 突变植物的全株蒸腾作用。植物在灌溉下生长,然后停止供水。在干旱处理的前三天,蒸腾速率没有受到影响(图2C)。然而,在第4天,WT 植物的蒸腾速率急剧下降,而 ga2ox7 的蒸腾速率没有变化。仅在第五天,ga2ox7 植物减少了它们的蒸腾作用。在 ga2ox7 之前,WT 中整株植物的每日蒸腾量也减少。我们通过热成像进一步分析了土壤逐渐脱水过程中的蒸腾速率。在浇水良好的土壤(60% 土壤 VWC)中,WT 和 ga2ox7 的叶表面温度相似,表明蒸腾速率相似(图2D)。然而,当土壤脱水至 35% VWC 时,WT 叶片的温度升高,而 ga2ox7 的温度没有变化,表明 WT 而不是突变体关闭了它们的气孔。在 15% 的土壤 VWC 下,WT 和 ga2ox7 叶片表现出更高且相似的温度,表明它们的气孔都关闭了。显微分析表明,在轻度缺水(35% 土壤 VWC)下,70% 的 WT 气孔关闭,而在 ga2ox7 中只有 49%(图2E)。最后,我们分析了不同土壤 VWC 下 WT 和 ga2ox7 植物的气孔导度。在灌溉植物中,WT 和突变体的气孔导度相似(图 2F)。然而,当土壤 VWC 降低到 40% 时,WT 中的气孔导度显着低于 ga2ox7。在严重干旱(15% 土壤 VWC)下,WT 和 ga2ox7 的气孔导度非常低且相似。这些结果表明 ga2ox7 气孔对土壤脱水不敏感。土壤脱水过程中保卫细胞中 GA2ox7 表达的分析表明,在土壤脱水的早期阶段就已经上调了(30% 土壤 VWC,图 2G)。总之,结果表明土壤脱水早期阶段的 GA 失活有助于气孔关闭。

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图2.ga2ox7气孔对土壤脱水不敏感

为了测试GA20ox1 和 GA20ox2的表达降低是否也会影响缺水条件下的气孔关闭和水状态,我们生成了 CRISPR/Cas9 衍生的 ga20ox1 和 ga20ox2 功能丧失突变体。两种突变体都表现出较短的茎,较小的叶子,但在浇水良好的植物中具有 WT 基部气孔孔径(图 3A;)。我们首先检查了这两个突变体的“避免干旱"。为此,我们将 WT、ga20ox1 和 ga20ox2 植物暴露于缺水 303 条件下,并分析了失水率。与 WT 相比,两个突变体都保持了更高的叶 RWC(图 3B),表明干旱下水分流失率降低。然后我们使用热成像分析了蒸腾速率。在灌溉或缺水条件下,两种突变对蒸腾速率都没有影响(图 3C)。此外,在土壤脱水期间,WT 和突变体之间的气孔导度相似(图 3D)。总之,结果表明在缺水条件下 ga20ox1 和 ga20ox2 植物中发现的水分流失率降低是由较小的叶面积引起的,而不是由更快的气孔关闭引起的。

我们还通过杂交产生了双突变体ga20ox1/ga20ox2。双突变体对生长表现出累加效应;植物矮小,它们的叶子非常小。 ga20ox1/ga20ox2 背面叶表皮的显微镜分析显示气孔孔径减少(图 3E),类似于其他强 GA 突变体,例如稳定 DELLA 的过表达(Nir 等,2017)。与这一观察结果一致,双突变体的气孔导度低于浇水良好的植物中的 WT(图 3F)。这些结果表明 GA20ox1 和 320 GA20ox2 之间在促进气孔关闭方面存在高度冗余,但在调节叶片生长方面没有。GA20ox1 和 GA20ox2 在全叶组织中的表达远高于保卫细胞(图 3G)。这可以解释为什么它们在叶子生长中具有重要作用,但在气孔关闭中没有。

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图3.GA20ox1和 GA20ox2 的损失减少了冠层生长并抑制了缺水条件下的水分流失


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