叶片发育时序通过调控乙烯与生长素互作调节番茄淹水胁迫下的叶片偏上性

《Plant Stress》：Leaf ontogeny steers ethylene and auxin crosstalk to regulate leaf epinasty during waterlogging of tomato

　　

摘要 发育中的叶片会经历与年龄相关的生理、激素及形态变化，这些变化决定了其对胁迫条件的适应可塑性。研究人员表征了番茄淹水诱导的叶片偏上性，将其归为此类年龄依赖性的细胞与激素响应之一。研究人员量化了淹水过程中的叶片角度动态及叶片生理变化。结果显示，老叶与幼叶均迅速向下弯曲，且在淹水期间表现出光合与蒸腾作用受损。仅幼叶可在淹水胁迫解除后部分恢复姿态并重启光合作用。激素分析表明，幼叶具有更高能力将乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）转化为无活性的结合态丙二酰-ACC（MACC），从而在淹水期间抑制乙烯合成。较老叶片的叶柄表现出更高的乙烯生产能力，且对淹水诱导的胁迫更为敏感。乙烯通过激活较老叶片叶柄基部的生长素积累，相对更多地促进近轴面（腹面）细胞伸长。另一方面，幼叶对淹水诱导的乙烯敏感性较低，并能维持生长素运输能力，从而导致更轻微的偏上性响应及复氧期间的更快复位。乙烯信号抑制剂1-甲基环丙烯（1-MCP）可抑制偏上性，而2,3,5-三碘苯甲酸（TIBA）处理则无论是否淹水均能增强偏上性弯曲。研究人员得出结论：淹水激活了乙烯与生长素之间复杂的激素互作，该过程受年龄依赖性调控，并导致叶片偏上性及生理特征的发育时序差异。

论文解读

研究背景与意义

植物在长期进化中形成了应对洪涝与淹没引起的低氧胁迫的多种策略，包括形态上的避逆反应如叶片偏上性（epinasty）、通气组织形成及不定根发生等。其中，叶片偏上性是一种由根部缺氧引发的叶片向下弯曲的现象，已在番茄、马铃薯、向日葵等多种作物中被观察到。早期研究证实，淹水导致根系产生乙烯前体ACC并通过木质部转运至地上部转化为乙烯，进而诱发偏上性。除乙烯外，生长素（auxin）、细胞分裂素、水杨酸、脱落酸及活性氧（ROS）等信号分子也被认为参与该过程。然而，乙烯与生长素的互作机制及其在叶片发育不同阶段（发育时序，ontogeny）如何调控偏上性仍不明确。此外，不同叶龄叶片对淹水的生理响应差异及恢复能力也有待解析。该研究针对这些空白，深入探究了叶片发育时序如何通过乙烯与生长素的代谢、信号及运输调控，决定番茄淹水胁迫下的偏上性响应与生理适应性，相关成果发表于《Plant Stress》。

主要技术方法

研究人员以番茄栽培种Ailsa Craig及多种突变体（包括乙烯受体突变体Nr、生长素运输相关突变体are与PIN4-RNAi、以及报告基因系DR5::GUS、EBS::GUS）为材料，在生长箱与温室中进行培养。通过持续淹水（水位高于岩棉表面4 cm）建立根部低氧胁迫模型。关键技术包括：利用倾角传感器实时监测叶片角度动态；采用气体交换系统测定整株及单叶的光合、蒸腾参数；通过气相色谱法测定乙烯释放量；利用高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-ESI-MS/MS）定量ACC、MACC及生长素（IAA）与其前体、代谢产物；采用RT-qPCR分析乙烯合成基因（ACO家族）及生长素运输蛋白基因（PIN家族）的表达；通过DR5::GUS染色可视化生长素响应分布；使用1-MCP与TIBA进行激素信号与运输的化学干预。

研究结果

淹水诱导的偏上性具有叶片年龄依赖性

实时监测显示，根部溶解氧浓度迅速下降后，老叶（第3叶）和中龄叶（第5叶）发生显著向下弯曲且复氧后48小时内无法恢复，而幼叶（第7叶）虽同样弯曲但能在复氧期部分恢复。细胞学分析表明，淹水48小时后，老叶至中龄叶叶柄近轴面（腹面）节段伸长增强，而幼叶远轴面（背面）伸长相对减弱。表皮细胞印迹显示，淹水引起所有叶片表皮细胞长度增加，但老叶和中龄叶以近轴面细胞伸长为主，幼叶则表现为远轴面细胞伸长更显著，这种细胞伸长的极性差异是导致叶片向下弯曲的细胞学基础。

淹水降低整株植物的蒸腾与光合作用

淹水导致冠层覆盖度显著下降，整株蒸腾速率在处理开始后迅速降低（下降31–47%），并在复氧期间未能完全恢复。相应地，整株CO₂吸收量同步下降，表明淹水同时损害了蒸腾与光合作用。这种冠层收缩与蒸腾减弱可能是一种减少水分散失的适应策略。

叶片年龄决定其对根部低氧的生理敏感性

尽管所有叶龄叶片的蒸腾速率、光合速率及气孔导度均随淹水下降，但老叶下降更为迅速。复氧期间，幼叶的光合作用恢复明显快于老叶。最大光化学量子产量（F_v/F_m）测定显示，淹水48小时后老叶的PSII功能显著受损，而中龄叶和幼叶未受影响，表明幼叶能更好地保护光合机构免受低氧胁迫伤害。

乙烯生物合成受发育时序调控

淹水24小时后，各叶龄叶柄乙烯产生均显著增加，但老叶和中龄叶增幅更大。激素定量分析显示，幼叶中ACC及其主要结合物MACC含量本底值较高，淹水后进一步积累；而老叶中ACC氧化酶（ACO）的体外酶活性本底较高。ACC-N-丙二酰转移酶（AMT）活性在幼叶中本底较高，淹水后在中老龄叶中被诱导上升。这表明幼叶通过将ACC转化为惰性MACC来限制乙烯生成，而老叶则因高ACO活性将更多ACC转化为乙烯。

淹水差异调控ACO基因家族的表达

RT-qPCR分析显示，ACO基因家族成员的表达具有显著的叶龄与胁迫依赖性。在正常条件下，ACO2和ACO7在幼叶中表达略高。淹水后，ACO1、ACO2和ACO7在老叶中强烈上调，ACO5在中龄叶中上调，这可能贡献了老叶更高的乙烯产量，但这种转录水平的变化并未完全反映在总ACO酶活性的测定结果中。

乙烯敏感性指导偏上性响应及其恢复

使用1-MCP预处理可完全抑制所有叶龄的淹水诱导偏上性。Nr突变体（乙烯受体SlETR3功能缺失）的偏上性弯曲显著减弱，尤其以幼叶表现最为明显，且复氧后恢复更快。这证实了乙烯信号传导是偏上性的关键，且其敏感性在不同叶龄间存在差异。

淹水触发老叶中生长素的积累与响应

DR5::GUS报告基因分析显示，淹水24和48小时后，生长素响应在老叶和中龄叶叶柄的远轴面（背面）及维管组织周围增强。激素测定证实，淹水48小时后，老叶和中龄叶及其叶柄中的IAA水平显著升高，而幼叶的IAA水平保持稳定甚至略有下降。生长素生物合成基因FLAVIN MONOOXYGENASE在老叶和中龄叶中表达下调，提示IAA的积累可能并非源于局部合成增强，而是运输受阻所致。

淹水期间生长素运输受发育时序门控

TIBA（生长素极性运输抑制剂）局部施用可诱导独立于淹水的偏上性弯曲，且对幼叶影响更持久。are突变体（生长素流增强）的偏上性程度减轻。PIN4-RNAi植株表现出组成型轻度偏上性，且其老叶中PIN4和另一种外流载体基因PIN9的表达在淹水后下调。这表明淹水阻碍了老叶的生长素向外运输，导致IAA在叶柄基部积累，从而促进偏上性。

讨论与结论总结

讨论部分首先强调了叶片发育时序定义了偏上性弯曲的程度与恢复能力，这与细胞伸长的发育依赖性有关。幼叶在淹水期间保留了更高的生理可塑性，能有效保护PSII功能并快速恢复碳同化。在激素调控层面，研究揭示了发育时序对ACO基因转录调控及乙烯生物合成的精细调节：幼叶通过高AMT活性将ACC转化为MACC，限制了乙烯生成；老叶则通过上调ACO表达增强乙烯生产。乙烯敏感性的发育差异进一步放大了这种响应。对于生长素，研究阐明淹水导致老叶中PIN介导的生长素外运受抑，引起IAA在叶柄基部积累，与乙烯信号协同促进近轴面细胞伸长；而在幼叶中，生长素运输能力得以维持，避免了IAA积累，从而支持了更快的形态恢复。这种乙烯与生长素互作的发育时序分化，为理解植物胁迫适应的年龄依赖性提供了机制框架。

结论指出，番茄淹水诱导的叶片偏上性主要由叶片发育时序通过年龄依赖性的乙烯与生长素代谢、信号及运输调控所决定。老叶和中龄叶表现出更强且更持久的偏上性，伴随乙烯产量升高、ACO基因表达上调及生长素外运能力下降，导致IAA在叶柄基部积累，促进近轴面细胞伸长。相反，幼叶因具有较高的ACC结合能力（高AMT活性）维持了较低的乙烯产量，并保持了PIN介导的生长素运输，防止了IAA积累，从而实现了更快的胁迫后恢复。生理上，尽管淹水损害了所有叶龄的光合与蒸腾，但幼叶保留了更强的恢复力。综上，叶片年龄是整合淹水胁迫下激素互作与生长响应的核心枢纽，其发育时序分化解释了为何成熟叶片最易发生偏上性，而幼叶支撑了涝后的恢复。