原创解读氧磷二烯酸还原酶基因的剂量差异调节小麦根系生长

　　近日，研究论文＂ Dosage differences in 12-OXOPHYTODIENOATE REDUCTASE genes modulate wheat root growth ＂   对 12-氧磷二烯酸还原酶基因参与小麦根系生长的调控机制进行了深入的研究。
　　人口不断增长，小麦是全球粮食安全的重要作物，需要进一步提高小麦产量，但随着全球变暖，水资源压力造成的损失正在增加，并侵蚀着小麦改良其他领域的进展。土壤剖面的根深和生物量分布是适应水分胁迫的关键性状，已被优先用于提高小麦的抗旱性。然而，调控小麦这些性状的基因网络在很大程度上仍然未知。人们努力研究和改造小麦根系结构，以优化普通小麦 (Triticum aestivum，基因组 AABBDD)和硬粒小麦 (T. turgidum ssp.)的水分获取，基因组 AABB)。
　　黑麦 (Secale cereale L.)是改善小麦性状的来源之一， 1号染色体 (1RS)向普通小麦 (以下简称 1RS. 1BL)的渗入，这可以诱导更高的根系生物量，并在干旱胁迫下获得产量优势。不幸的是，这种易位降低了面包的烘焙品质。为了消除对品质的负面影响， 20年前作者在小麦品种 Pavon中开发了含有两个小麦 1BS基因间区渗入的重组 1RS染色体 (以下简称 1WW)。作者将建立好的 1WW染色体导入 1RS.1BL cv. Hahn进行了 6次回交，然后生成了 3个完整的 1RS (1RS)，近端 1BS渐渗去除黑麦碱  (1WR)，或远端 1BS渐渗恢复 Gli-B1 / Glu-B3位点 (1RW，图 1A)。利用小麦 90 K 芯片，作者验证了 1RS和 1RW的同源性为 99.3%。
　　随后，作者对 1BS/1RS重复对节根和叶的影响进行了研究分析，相对于 1RS, 1RW和 1RW的叶片长度 (图 1C)和相对含水量 (图 1)没有显著差异，但根系长度 (图 1D)以及根和茎干重 (图 1)显著减少。甘露醇处理的所有性状均表现出极显著的差异，但基因型与甘露醇之间没有显著的相互作用 (来源数据见图 1)，这表明两种基因型对甘露醇诱导的渗透胁迫的反应相似 (图 1D)。最后，我们测试了在没有 1BS段渐渗的情况下， 1RS重复对种子根结构的影响。为此，我们开发了一个二同体 1RS添加系，其中有两个融合的 1RS臂，形成 Hahn-1RS (diiso 1RS，图 1E)。携带额外 1RS臂的植物的精根明显短于野生型植物 (图 1F、 G及相关源数据 )，证实重复的 1RS基因剂量足以诱导较短的种子根。 图 1：小麦 -黑麦基因库存及其对种子根长度的影响。
　　在缺失的 1BS-1RS区域中，有 14个在根部中表达的高度可信的基因，作者对其中的 4个 12-OXOPHYTODIENOATE REDUCTASE SUBFAMILY III (OPRIII)基因进行功能验证。这些基因编码参与 JA合成的酶，其 JA-Ile结合物是一种活性植物激素，被认为能够改变拟南芥和水稻的根结构以及对干旱的响应。过表达和基因编辑材料的表型表明，减少 OPRIII剂量与种子根长度增加有关 (图 2)。 OPRIII基因功能缺失突变和过表达对种子根系长度和结构的显著影响表明， OPRIII基因是导致 1RS和 1RW等基因系根系表型不同的原因，并可能是导致这两种基因在水分胁迫下田间表现不同的原因（图 3）。 图 2:OPRIII基因功能缺失突变和过表达对根长的影响。 图 3:OPRIII基因过表达对根结构的影响。
　　作者进一步证实了，小麦 OPRIII-B1、 OPRIII-B2、 OPRIII-B3和 OPRIII-A2编码 12-氧植二烯酸还原酶。来自所有四个基因的表达蛋白使用 NADPH能够显著降低 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA)，  13-epi-12-OPDA和 4,5-DDH- JA底物 (图 4)，这与前人研究一致。 图 4:OPRIII在 JA生物合成中的作用。
　　作者在 6 DAG的种子根的末端 1厘米测量了 JA - ile及其前体 JA和 OPDA的生物活性。观察到 JA和 JA - ile在 1RW中浓度相对于 1RS增加 2.5到 3.3倍 , UBI::OPRIII-R5 中增加了 4.3 - 4.8倍（图 4）。这些结果表明 ,在早期种子根系发育过程中 ,OPRIII基因剂量或表达的增加与 JA和 JA - ile的增加有关。然而，作者没有发现 OPDA的显著差异。随后的分析表明， 1RS和 1RW之间根长和 ROS分布的差异可能是由 JA-Ile的变化介导的（图 5）。最后，作者通过转录组分析，研究了 OPRIII增加剂量或表达对转录组的影响（图 6）。总的来说， OPRIII基因的功能解析为小麦和其他谷物的根结构改造设计提供了一个切入点。 图 5: 异丁苯丙酸 (Ibuprofen , IBU)对根生长的影响。 图 6:不同基因型的根尖转录组图谱。
　　原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-023-36248-y