浙江大學(xué)鄭紹建團(tuán)隊(duì)揭示植物氮饑餓響應(yīng)的活性氧信號(hào)樞紐

氮是植物生命體的基本構(gòu)成元素。在旱地土壤中，硝態(tài)氮是植物的主要氮素吸收形態(tài)，但其含量在農(nóng)田土壤中存在顯著的時(shí)空異質(zhì)性。面對(duì)時(shí)而充足、時(shí)而匱乏的硝態(tài)氮環(huán)境，植物演化出了一套精密的調(diào)控系統(tǒng)。然而，與已被深入研究的氮充足條件下的初級(jí)氮響應(yīng)機(jī)制相比，植物在氮饑餓脅迫下如何迅速調(diào)節(jié)生長(zhǎng)、高效獲取氮源的核心信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，仍有諸多未明之處。

近日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院鄭紹建教授團(tuán)隊(duì)在Science Bulletin發(fā)表了題為RBOHC-derived ROS control plant nitrate starvation response via WRKYs-activated expression of high-affinity nitrate transporters的研究成果，證明RBOHC產(chǎn)生的活性氧（ROS）是擬南芥氮饑餓響應(yīng)信號(hào)途徑的關(guān)鍵第二信使，并揭示了WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物氮營(yíng)養(yǎng)調(diào)控中的重要功能。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的遺傳篩選發(fā)現(xiàn)，擬南芥中RBOHC基因功能缺失突變體（rbohc，rc-1）在低氮條件下表現(xiàn)出根長(zhǎng)縮短、葉面積減少等生長(zhǎng)抑制表型，同時(shí)硝酸鹽吸收能力下降。這些現(xiàn)象在氮充足條件下并未出現(xiàn)（圖1），表明RBOHC是植物特異性響應(yīng)氮饑餓的正向調(diào)控因子。

圖1.RBOHC產(chǎn)生的ROS正向調(diào)控低氮條件下的硝酸鹽吸收與植物生長(zhǎng)

研究進(jìn)一步闡明了RBOHC的核心作用機(jī)制：它是低氮脅迫下ROS積累的主要來(lái)源。H2DCF-DA熒光染色顯示，在氮饑餓條件下，野生型（WT）植物根毛區(qū)有顯著的ROS積累，而在rbohc突變體（rc-1）中這一現(xiàn)象幾乎完全消失（圖2）。這直接證明RBOHC是啟動(dòng)氮饑餓響應(yīng)中活性氧信號(hào)的關(guān)鍵引擎。

圖2.低氮誘導(dǎo)野生型根毛區(qū)ROS積累

那么，這個(gè)ROS信號(hào)如何轉(zhuǎn)化為具體的生理指令？轉(zhuǎn)錄組分析給出了線索：近50%的低氮響應(yīng)基因的表達(dá)依賴于RBOHC產(chǎn)生的ROS（圖3a）。其中，兩個(gè)WRKY家族轉(zhuǎn)錄因子WRKY42與WRKY58的表達(dá)在rbohc突變體中顯著降低，并且在WT中受低氮誘導(dǎo)（圖3b）。研究人員通過(guò)構(gòu)建基因編輯突變體和顯性抑制材料，證實(shí)了它們的核心作用：WRKY42-SRDX與WRKY58-SRDX抑制株系在低氮條件下硝酸鹽吸收能力降低，其生長(zhǎng)表型與rbohc突變體高度相似。

圖3. WRKY42和WRKY58在調(diào)控氮饑餓響應(yīng)中的核心作用

更深入的分子機(jī)制研究表明，WRKY42能夠直接結(jié)合到高親和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因NRT2.1，NRT2.2和NRT2.4啟動(dòng)子特定區(qū)域（W-box元件），并通過(guò)雙熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)、EMSA和ChIP-qPCR實(shí)驗(yàn)證實(shí)其直接轉(zhuǎn)錄激活功能。WRKY58雖未顯示直接結(jié)合，但與WRKY42存在功能冗余，可能通過(guò)其他方式間接影響NRT2s表達(dá)。

綜上，該研究首次在擬南芥中建立了“RBOHC–ROS–WRKY–NRT2”信號(hào)通路框架，揭示了ROS在氮饑餓響應(yīng)中的正調(diào)控作用，拓展了植物營(yíng)養(yǎng)信號(hào)與氧化信號(hào)交叉調(diào)控的研究維度。未來(lái)，通過(guò)對(duì)該通路中RBOHC的翻譯后調(diào)控機(jī)制、ROS如何精準(zhǔn)調(diào)控WRKY轉(zhuǎn)錄活性等問(wèn)題的深入研究，有望為作物氮高效利用的遺傳改良提供新的分子靶點(diǎn)與育種策略，助力綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

圖4. RBOHC–ROS–WRKY–NRT2信號(hào)通路模式圖

浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生袁甜為該論文的第一作者，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院鄭紹建教授和丁忠杰研究員為該論文通訊作者。浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院毛傳澡教授、金崇偉教授和法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)的Moussa Benhamed教授等合作者也參與了該項(xiàng)研究工作。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、111引智計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的資助。

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