近日，Molecular Plant在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)趙方杰教授團隊題為“Rice roots avoid asymmetric heavy metal and salinity stress via a RBOH-ROS-auxin signaling cascade”的研究論文，揭示了水稻根系通過呼吸氧爆發(fā)同源酶-活性氧-生長素（RBOH-ROS-Auxin）的信號通路，重塑根系構(gòu)型以規(guī)避局部的重金屬和鹽脅迫。

 

　　土壤是高度異質(zhì)的介質(zhì)，土壤中養(yǎng)分、水分和有害物質(zhì)在時空上往往分布不均。已有的研究表明，植物可以靈活地調(diào)整根尖的生長方向或根系的分支模式以獲取生長所需的水分和養(yǎng)分。但植物根系如何響應(yīng)分布不均的有毒物質(zhì)（例如重金屬和鹽）？其機制如何？目前尚不清楚。

 

　　該研究首先發(fā)現(xiàn)，在局部的重金屬（鎘、銅、鉛）和鹽（NaCl）脅迫處理下，脅迫區(qū)域水稻根系生長受抑制，而無脅迫區(qū)域根系快速形成大量側(cè)根。植物通過這一生長策略向無脅迫區(qū)域投資根系生物量，進而規(guī)避局部的重金屬或鹽脅迫。

 

　　進一步研究表明，局部的重金屬鎘脅迫可以快速誘發(fā)根尖ROS爆發(fā)，并同時產(chǎn)生系統(tǒng)性ROS信號傳遞給無脅迫區(qū)域的根系。在脅迫一側(cè)施加活性氧清除劑N-乙酰-L-半胱氨酸（NAC）可以抑制鎘暴露誘發(fā)的根尖ROS爆發(fā)，同時也阻斷了系統(tǒng)性ROS信號向無脅迫區(qū)域根系的傳播，最終抑制了根系規(guī)避局部鎘脅迫的現(xiàn)象。這些結(jié)果表明局部脅迫誘發(fā)的ROS響應(yīng)與系統(tǒng)性ROS傳播對于根系規(guī)避脅迫必不可少。此外，采用鈣信號報告基因轉(zhuǎn)基因材料以及鈣信號抑制劑的實驗結(jié)果表明，鈣信號通過調(diào)節(jié)ROS也參與根系規(guī)避局部重金屬脅迫。

 

　　通過一系列的生理及基因轉(zhuǎn)錄分析，發(fā)現(xiàn)兩個定位于質(zhì)膜的呼吸氧爆發(fā)同源酶OsRBOHA和OsRBOHI在轉(zhuǎn)錄水平上受鎘脅迫誘導(dǎo)上調(diào)。敲除OsRBOHA和OsRBOHI可以顯著抑制局部鎘脅迫誘導(dǎo)的ROS響應(yīng)和系統(tǒng)性ROS信號的傳播，同時減弱了根系規(guī)避局部鎘脅迫的能力，表明OsRBOHA和OsRBOHI在ROS介導(dǎo)的根系規(guī)避局部脅迫中起重要作用。隨后，利用生長素報告基因株系、生長素轉(zhuǎn)運和信號突變體進行實驗，結(jié)合激素生理實驗以及轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性ROS信號傳播到無脅迫區(qū)域的根系后，促進了生長素信號以及細(xì)胞壁重塑基因的表達，從而加速側(cè)根的快速形成與伸長。

 

　　綜上所述，該研究揭示了水稻通過RBOH-ROS-Auxin信號通路模塊重塑根系構(gòu)型以規(guī)避免分布不均的重金屬和鹽脅迫。該脅迫規(guī)避策略有望被利用于提高作物對異質(zhì)土壤環(huán)境的適應(yīng)性，增強作物根系避免土壤中重金屬富集斑塊的能力，減少有毒金屬在糧食作物中的積累，從而保障食品安全。

 

　　資環(huán)學(xué)院博士生王漢卿為該論文的第一作者，趙方杰教授為通訊作者。博士生趙星宇、宣偉教授和汪鵬教授參與了該項研究工作。該研究得到了科技部重點研發(fā)專項和江蘇省研究生科研創(chuàng)新項目的資助。

 

　　全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.09.007