通过全基因突变改进的 auxin 信号传导机制增强了番茄对铝的耐受性

《Plant Science》：The improved auxin signalling via entire mutation enhances aluminium tolerance in tomato

本研究通过对比番茄植株auxin信号传导强弱突变体（dgt和entire）在铝毒性下的生长及代谢响应，发现增强的auxin信号可提高铝耐受性，其机制与根系分生区细胞分化调控及活性氧积累相关，为作物耐铝改良提供理论依据。

　　

雷吉安·K.G.席尔瓦（Regiane K.G. Silva）|若昂·安东尼奥·西凯拉（Jo?o Antonio Siqueira）|威廉·巴蒂斯塔-席尔瓦（William Batista-Silva）|马塞莱·费雷拉·席尔瓦（Marcelle Ferreira Silva）|蒂亚戈·瓦金（Thiago Wakin）|乔纳斯·拉斐尔·瓦尔加斯（Jonas Rafael Vargas）|加布里埃尔·维莱拉（Gabriel Vilela）|罗布森·里贝罗（Robson Ribeiro）|多明戈斯·F.M.内托（Domingos F.M. Neto）|阿里斯泰亚·A.阿泽维多（Aristea A. Azevedo）|克莱伯森·里贝罗（Cleberson Ribeiro）|阿利斯代尔·R.费尔尼（Alisdair R. Fernie）|阿德里亚诺·努内斯-内西（Adriano Nunes-Nesi）|瓦格纳·L.阿劳霍（Wagner L. Araújo）

巴西米纳斯吉拉斯州维索萨联邦大学（Universidade Federal de Vi?osa）植物生物学系，国家压力条件下植物生理学科学技术研究所（National Institute of Science and Technology on Plant Physiology Under Stress Conditions），邮编36570-900

摘要

酸性土壤通过促进铝（Al）阳离子的溶解，限制了许多发展中国家的粮食生产。因此，植物从土壤溶液中吸收这种金属，导致其生长受阻，并减少水分和养分的吸收。为了缓解铝的影响，植物会重新调整其代谢和生长机制，这一过程中多种机制受到生长素信号变化的影响。本文对生长素信号在铝耐受性中的作用进行了全面研究。我们使用了生长素敏感性降低（diageotropica, dgt）和增强（entire）的番茄突变体，以评估植物在应对铝毒性时的生长和代谢调节情况。结果表明，dgt突变体的铝耐受性较低，而entire突变体能够耐受有毒水平的铝。这种差异可以通过根尖过渡区活性氧（ROS）的积累差异来解释：dgt突变体的根尖过渡区细胞分化更为明显；而entire突变体的根尖过渡区仅有轻微变化，其根分生组织细胞的分化程度较低，这可能与其在有毒铝环境下的持续生长有关。dgt突变体根部的代谢物发生了变化，而entire突变体仅表现出轻微的代谢变化。总体而言，我们的研究结果表明，通过基因改造来调节生长素感知有望提高作物的铝耐受性。

引言

纵观人类历史，文明的建立主要发生在土壤肥沃、能够进行粮食生产的地区。然而，随着这些土壤的过度开发和人口快速增长，新的文明也在低肥力土壤地区出现。这一转变在很大程度上得益于利用石灰石调节土壤酸度的能力。在未施用石灰石的酸性土壤（pH ≤ 5.5）中，铝阳离子（主要是Al³⁺）普遍存在

植物材料与生长表型

根据先前研究（Carvalho等人，2011年），我们获得了野生型（WT）番茄（Solanum lycopersicum Micro-Tom）种子以及具有低生长素感知能力（diageotropica, dgt）和高生长素信号传导能力（entire, AUX/IAA9）的转基因系。dgt突变体是通过EMS（乙基甲磺酸）处理在cyclophilin基因上引入终止密码子获得的，而IAA9基因的EMS修饰导致多肽片段缩短（Wang等人，2005年；Oh等人，2005年）

生长素感知突变体中，铝毒性对植物生长影响的差异

为了探讨生长素信号传导是否影响植物在铝胁迫条件下的生长反应，我们使用了生长素信号传导能力增强（entire）和减弱（diageotropica, dgt）的番茄（Solanum lycopersicum Micro-Tom）突变体。这些植物分别暴露于两种不同浓度的铝（25 μM和100 μM）下三天。我们在植物早期发育阶段（萌发后15天，DAG）和晚期发育阶段（35 DAG）对其生长情况进行评估，以研究植物生长阶段与生长素感知能力之间的相互作用对铝耐受性的影响

讨论

人类日益关注的是培育能够在酸性土壤中高效利用养分的作物（Siqueira等人，2023年）。几个世纪以来，铝毒性一直导致农业问题，限制了许多发展中国家的粮食生产。历史上，农业扩张主要受到土壤中铝含量高的限制。例如，巴西中西部地区直到20世纪80年代都面临这一问题

结论

总体而言，我们的研究表明，生长素信号传导是番茄铝耐受性的关键调节因子，它在解剖学、生理学、代谢和分子层面影响着植物的响应。通过比较具有不同生长素敏感性的番茄基因型，本研究直接证明了生长素感知能力的强弱决定了植物应对铝毒性的能力，尤其是通过调节根系伸长动态及其相关的代谢变化

作者贡献声明

阿德里亚诺·努内斯-内西（Adriano Nunes-Nesi）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，资金获取，概念构思。瓦格纳·L.阿劳霍（Wagner L. Araújo）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，研究实施，资金获取，数据管理，概念构思。若昂·安东尼奥·西凯拉（Jo?o Antonio Siqueira）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，项目管理，方法学设计，研究实施，数据分析，数据管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突

致谢

本研究得到了巴西国家科学技术发展委员会（CNPq-Brazil）[项目编号151020/2024–8；407276/2021–1和406455/2022–8]以及米纳斯吉拉斯州研究援助基金会（FAPEMIG-Brazil）[项目编号CRA - RED-00060-23和APQ-01942-22]的支持。同时，我们也感谢CNPq为A.N.-N.和W.L.A.提供的研究奖学金

作者贡献

R.K.G.S.、J.A.S.和W.L.A.设计了这项研究；R.K.G.S.和J.A.S.在相关团队的支持下完成了大部分研究工作