近日，Plant Cell & Environment在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)趙方杰教授團(tuán)隊(duì)題為“The Respiratory Burst Oxidase Homologue OsRBOHE is crucial for root hair formation, drought resistance and tillering in rice”的研究論文。該研究揭示了水稻呼吸爆發(fā)氧化酶同源物OsRBOHE在水稻根毛形成、抗旱和分蘗中的重要作用，并揭示了水稻根毛在磷獲取的局限性作用。
根毛是從根表皮細(xì)胞分化而來的管狀突起，是植物根系的重要組分。由于根毛的形成大大增加了根系的表面積，因此普遍認(rèn)為根毛對(duì)植物獲取土壤中的水分和磷素營(yíng)養(yǎng)十分重要。在模式植物擬南芥中，根毛發(fā)育機(jī)理被廣泛研究。根毛的形成受特定的轉(zhuǎn)錄因子模塊控制，同時(shí)也受到多種植物激素（乙烯、生長(zhǎng)素等）和信號(hào)分子（鈣信號(hào)和活性氧等）的調(diào)節(jié)。相比之下，對(duì)作物根毛形成機(jī)制的研究較少。
呼吸爆發(fā)氧化酶同源物（RBOH）在活性氧（ROS）的產(chǎn)生中發(fā)揮重要作用，并因此參與植物生長(zhǎng)發(fā)育過程，影響植物的抗逆性。擬南芥有三個(gè)RBOH參與根毛的形成。為了探索OsRBOH在水稻根毛發(fā)育中的作用，該研究首先定量了水稻基因組中9個(gè)OsRBOH基因在根系中的轉(zhuǎn)錄水平，發(fā)現(xiàn)6個(gè)OsRBOH基因在根系中表達(dá)。進(jìn)一步采用CRISPR/Cas9技術(shù)創(chuàng)制了這6個(gè)OsRBOH基因的敲除突變體。表型分析結(jié)果顯示，OsRBOHE 基因突變導(dǎo)致根毛長(zhǎng)度降低90%、根毛密度降低50%、分蘗降低30%、籽粒產(chǎn)量降低30%。敲除其余五個(gè)OsRBOH基因?qū)λ靖l(fā)育沒有顯著影響。
亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示，OsRBOHE蛋白定位在質(zhì)膜上。OsRBOHE啟動(dòng)子連接β-葡萄糖苷酸酶（GUS）的活性分析顯示，OsRBOHE在根表皮細(xì)胞和根毛中強(qiáng)烈表達(dá)，在分蘗芽中也有表達(dá)。采用ROS熒光探針H2DCFDA監(jiān)測(cè)野生型和osrbohe突變體根毛和分蘗芽中的ROS水平。與野生型相比，osrbohe突變體根毛和分蘗芽的ROS水平顯著降低，表明OsRBOHE在根毛表皮細(xì)胞和分蘗芽中產(chǎn)生ROS，從而影響其發(fā)育。
進(jìn)一步采用RNA-seq分析了野生型和三個(gè) osrbohe株系根系的差異表達(dá)基因（DEGs），發(fā)現(xiàn)DEGs主要富集在應(yīng)激反應(yīng)、胞外區(qū)域、氧化還原酶活性、過氧化氫分解過程和細(xì)胞壁生物合成等類別中。在三個(gè)osrbohe株系中，細(xì)胞壁生物合成途徑的 DEGs均顯下調(diào)，其中包括幾個(gè)已知的控制根毛發(fā)育的基因，表明OsRBOHE通過影響細(xì)胞壁重塑以控制根毛形成。
為了評(píng)估根毛在水稻磷獲取中的作用，設(shè)置了高、低磷土壤淹水和旱作四種處理。野生型和osrbohe株系在低磷土壤淹水或旱作條件下嚴(yán)重缺磷，生長(zhǎng)受阻。在低磷土壤且旱作條件下，osrbohe株系的地上部磷濃度和磷積累量均顯著低于野生型，而在低磷土壤淹水和高磷土壤淹水或旱作條件下，野生型和osrbohe株系地上部磷濃度和磷積累量均無顯著差異，表明水稻根毛只在低磷土壤旱作條件下對(duì)磷的獲取起作用。
進(jìn)一步比較了野生型和osrbohe株系抗旱性差異。正常淹水處理下，野生型與osrbohe株系生長(zhǎng)無顯著差別，停止?jié)菜?2天后，突變體表現(xiàn)出比野生型更嚴(yán)重的萎蔫和干枯癥狀。復(fù)水三天后，突變體的存活率僅為野生型的6%，表明OsRBOHE功能喪失嚴(yán)重?fù)p害了水稻的抗旱性。干旱處理6天后，野生型的根毛長(zhǎng)度顯著增加，osrbohe株系的根毛長(zhǎng)度僅為野生型的20%。根鞘是由于根毛和粘液粘附而附著在根表面的土壤，干旱處理6天后，osbohe株系根鞘重量?jī)H為野生型的30%。干旱處理9天時(shí)，野生型的根和根毛狀態(tài)良好，而osrbohe株系的根系萎蔫。這些結(jié)果表明，osbohe株系根毛發(fā)育和根鞘形成受阻，與土壤顆粒接觸減少，導(dǎo)致其抗旱能力大幅度降低。
綜上，該研究揭示了OsRBOHE在根毛形成和分蘗中的作用及其對(duì)抗旱性、低磷土壤旱作條件下磷的獲取和籽粒產(chǎn)量的影響。該研究為后續(xù)探究OsRBOHE基因在水稻種質(zhì)間的自然變異，進(jìn)行水稻抗旱性和分蘗性遺傳改良提供重要基礎(chǔ)。
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院博士研究生趙星宇為論文的第一作者，趙方杰教授為論文的通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持。
文章鏈接：DOI: https://doi.org/10.1111/pce.15114
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