作者:王帅、李焕改
玉米(Zea mays L.)是世界上主要的粮食作物,为了满足人口日益增长的需求,增加种植密度一直是提高玉米产量的有效手段。然而,高密度种植可能增加倒伏风险,导致谷物产量和质量下降,并增加收获成本。因此,培育抗倒伏品种一直是玉米育种工作者的重要目标。玉米倒伏大致可分为茎秆倒伏和根倒伏,前者是指穗节点处或下方的茎断裂,而后者是指植物从垂直方向倾斜超过30°。玉米生长拔节至灌浆阶段频繁暴风雨会引起根系倒伏,这对玉米生产的威胁巨大。然而,调控根系抗倒伏性的分子机制仍然知之甚少。
植物激素生长素在调节根生长和发育的各个方面起着关键作用,包括初级根、侧根和根毛的起始和伸长。YUC 基因在生长素生物合成中编码一种生长素合成关键限速酶,YUC 基因的功能丧失或过度表达均可导致双子叶植物和单子叶植物物种的严重发育异常甚至致死。
近日,华南农业大学王海洋教授团队与中国农业科学院生物技术研究所等单位合作在国际知名学术期刊New Phytologist上发表了题为“Local auxin biosynthesis regulates brace root angle and lodging resistance in maize”的研究论文,在玉米气生根生长角度和抗倒伏性的分子和遗传机制方面取得重要进展。
该研究首先通过系统发育分析发现ZmYUC2和ZmYUC4与拟南芥YUC3/5/7/8/9具有高度同源性(图1a),RT-qPCR分析证实ZmYUC2 和ZmYUC4 在根中优先表达(图1b),并在主根和气生根中的表达水平较高(图1c)。此外,RNA原位杂交试验表明ZmYUC2 和ZmYUC4 在主根和气生根的根尖表现出部分重叠但不同的表达模式,ZmYUC4 在根尖表达的范围更广(图1d)。玉米原生质体亚细胞定位实验证明ZmYUC2和ZmYUC4分别定位于细胞质和内质网中(图1e),暗示它们可能调节根尖细胞不同亚细胞区室中生长素的生物合成。
接下来,为了研究ZmYUC2 和ZmYUC4 在调节根系发育中的作用,该研究利用CRISPR/Cas9技术构建了ZmYUC2 和ZmYUC4 的敲除突变体。实验结果表明,Zmyuc4 单突变体和Zmyuc2/4 双突变体的气生根生长角度远大于WT植株,而Zmyuc2 突变体与WT植株的气生根生长角度相似(图2a,b)。除此之外,突变体与WT植株在气生根的轮生数、每轮生的根数、气生根的直径方面没有明显差异(图2c-e)。另外,本研究开发了一种基于X-ray CT扫描技术捕获根系统结构的方法,通过该方法发现Zmyuc4 和Zmyuc2/4 突变体地上气生根夹角明显大于WT,而突变体与WT的地下根数和根角度差异并不显著(图2f–h)。该结果表明,ZmYUC2 和ZmYUC4 特异性地调节气生根角度,且其功能可能存在部分冗余。
图1 ZmYUC2和ZmYUC4的表达模式及亚细胞定位
图2 ZmYUC2 和ZmYUC4 敲除突变体的气生根(BR)表型
众所周知,植物根系生长角度受重力感应和响应的调节。为检测突变体与WT在响应重力调节方面是否有差异,在V12阶段将Zmyuc2、Zmyuc4 和Zmyuc2/4 突变体及其WT中带有承载节点的气生根与植物分离,并将带节点的气生根水平放置,在正常重力适应24 h后,观察发现突变体的气生根弯曲速度均慢于WT植株,且这种缺陷程度在Zmyuc2、Zmyuc4 和Zmyuc2/4 中依次加重(图3a,b),表明突变体气生根一定程度上对重力响应的敏感性降低。
为进一步探究Zmyuc2/4 双突变体中生长素的再分配是否因重力的改变而变化,通过遗传杂交将生长素响应标记DR5-RFP引入各个突变体中。荧光显微镜检查显示,与WT植物相比,Zmyuc4 和Zmyuc2/4 突变体根冠中的RFP信号明显降低,而Zmyuc2 突变体中则没有发生明显变化(图3c,d)。当根旋转90° 1 h后,所有植株下侧气生根系细胞RFP信号增加,与WT相比,Zmyuc4 和Zmyuc2/4 中RFP信号显著增加,但Zmyuc2 和WT之间没有观察到明显的差异(图3e,f)。为了更进一步阐明Zmyuc2/4 双突变体重力响应降低的潜在分子机制,通过RT-qPCR实验检测生长素转运蛋白和重力反应调节因子基因的表达。结果表明,ZmLAX5(AUX1 的同系基因,编码生长素内向转运载体)在所有突变体的气生根尖端(0–1 mm区域)中表达量增加,其中在Zmyuc2/4 中的表达量最高;与WT相比,ZmPIN1b 和ZmPIN1c(PIN1 的同源基因,编码生长素外向转运载体)、ZmRLD3/4/5和ZmLAZY1/3(RLD和LAZY的同源基因,PIN蛋白极性定位的调节因子)在Zmyuc4 和Zmyuc2/4 根尖的表达均明显降低(图3g)。这些数据表明,ZmYUC2 和ZmYUC4 的突变不仅影响生长素水平,还影响生长素的重新分布和根尖的不对称细胞伸长,并延缓气生根部向下弯曲。
图3 ZmYUC2 和ZmYUC4 基因敲除突变体气生根存在偏重力缺陷
之后,田间试验发现Zmyuc2/4 在吐丝期的气生根角度远大于WT植株(图2a)。通过使用带有角度传感器的测力设备检测根倒伏阻力,与WT相比,将Zmyuc2/4 植物倾倒到指定的角度需要更大的功率(图4a),表明Zmyuc2/4 突变体植物具有增强的抗倒伏性。
最后,对不同种植密度条件下Zmyuc 突变体的根系倒伏抗性进行评估,分别采用3种密度:D1(45000株•ha−1)、D2(90000株•ha−1)和D3(135000株•ha−1),及3种倒伏等级(小于30°的倒伏度被归类为1级,小于60°但大于30°的倒伏度被归类为2级,大于60°的倒伏度被归类为3级)对不同Zmyuc 突变体和WT的倒伏率进行测定。结果表明,随着种植密度的增加,WT、Zmyuc2和Zmyuc4的倒伏率增加,而Zmyuc2/4 在所有3种密度条件下均保持直立(图4b,c)。因此,Zmyuc2/4 突变体中较大的气生根角度赋予其良好的根倒伏抗性。
图4 Zmyuc4 和Zmyuc2/4 突变体根倒伏抗性增强
综上所述,该研究结合分子、遗传和细胞生物学等研究方法,证明了ZmYUC2和ZmYUC4在调节玉米气生根角度以及抗根系倒伏中的作用,为培育抗倒伏根玉米品种提供了有效的靶点。
原文链接:https://doi.org/10.1111/nph.18733