近日，Plant Cell & Environment在線發表了南京農業大學趙方杰教授團隊題為“The Respiratory Burst Oxidase Homologue OsRBOHE is crucial for root hair formation, drought resistance and tillering in rice”的研究論文。該研究揭示了水稻呼吸爆發氧化酶同源物OsRBOHE在水稻根毛形成、抗旱和分蘗中的重要作用，并揭示了水稻根毛在磷獲取的局限性作用。
根毛是從根表皮細胞分化而來的管狀突起，是植物根系的重要組分。由于根毛的形成大大增加了根系的表面積，因此普遍認為根毛對植物獲取土壤中的水分和磷素營養十分重要。在模式植物擬南芥中，根毛發育機理被廣泛研究。根毛的形成受特定的轉錄因子模塊控制，同時也受到多種植物激素（乙烯、生長素等）和信號分子（鈣信號和活性氧等）的調節。相比之下，對作物根毛形成機制的研究較少。
呼吸爆發氧化酶同源物（RBOH）在活性氧（ROS）的產生中發揮重要作用，并因此參與植物生長發育過程，影響植物的抗逆性。擬南芥有三個RBOH參與根毛的形成。為了探索OsRBOH在水稻根毛發育中的作用，該研究首先定量了水稻基因組中9個OsRBOH基因在根系中的轉錄水平，發現6個OsRBOH基因在根系中表達。進一步采用CRISPR/Cas9技術創制了這6個OsRBOH基因的敲除突變體。表型分析結果顯示，OsRBOHE 基因突變導致根毛長度降低90%、根毛密度降低50%、分蘗降低30%、籽粒產量降低30%。敲除其余五個OsRBOH基因對水稻根毛發育沒有顯著影響。
亞細胞定位結果顯示，OsRBOHE蛋白定位在質膜上。OsRBOHE啟動子連接β-葡萄糖苷酸酶（GUS）的活性分析顯示，OsRBOHE在根表皮細胞和根毛中強烈表達，在分蘗芽中也有表達。采用ROS熒光探針H2DCFDA監測野生型和osrbohe突變體根毛和分蘗芽中的ROS水平。與野生型相比，osrbohe突變體根毛和分蘗芽的ROS水平顯著降低，表明OsRBOHE在根毛表皮細胞和分蘗芽中產生ROS，從而影響其發育。
進一步采用RNA-seq分析了野生型和三個 osrbohe株系根系的差異表達基因（DEGs），發現DEGs主要富集在應激反應、胞外區域、氧化還原酶活性、過氧化氫分解過程和細胞壁生物合成等類別中。在三個osrbohe株系中，細胞壁生物合成途徑的 DEGs均顯下調，其中包括幾個已知的控制根毛發育的基因，表明OsRBOHE通過影響細胞壁重塑以控制根毛形成。
為了評估根毛在水稻磷獲取中的作用，設置了高、低磷土壤淹水和旱作四種處理。野生型和osrbohe株系在低磷土壤淹水或旱作條件下嚴重缺磷，生長受阻。在低磷土壤且旱作條件下，osrbohe株系的地上部磷濃度和磷積累量均顯著低于野生型，而在低磷土壤淹水和高磷土壤淹水或旱作條件下，野生型和osrbohe株系地上部磷濃度和磷積累量均無顯著差異，表明水稻根毛只在低磷土壤旱作條件下對磷的獲取起作用。
進一步比較了野生型和osrbohe株系抗旱性差異。正常淹水處理下，野生型與osrbohe株系生長無顯著差別，停止澆水12天后，突變體表現出比野生型更嚴重的萎蔫和干枯癥狀。復水三天后，突變體的存活率僅為野生型的6%，表明OsRBOHE功能喪失嚴重損害了水稻的抗旱性。干旱處理6天后，野生型的根毛長度顯著增加，osrbohe株系的根毛長度僅為野生型的20%。根鞘是由于根毛和粘液粘附而附著在根表面的土壤，干旱處理6天后，osbohe株系根鞘重量僅為野生型的30%。干旱處理9天時，野生型的根和根毛狀態良好，而osrbohe株系的根系萎蔫。這些結果表明，osbohe株系根毛發育和根鞘形成受阻，與土壤顆粒接觸減少，導致其抗旱能力大幅度降低。
綜上，該研究揭示了OsRBOHE在根毛形成和分蘗中的作用及其對抗旱性、低磷土壤旱作條件下磷的獲取和籽粒產量的影響。該研究為后續探究OsRBOHE基因在水稻種質間的自然變異，進行水稻抗旱性和分蘗性遺傳改良提供重要基礎。
南京農業大學資環學院博士研究生趙星宇為論文的第一作者，趙方杰教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目支持。
文章鏈接：DOI: https://doi.org/10.1111/pce.15114
日期：2024-10-16
根毛是從根表皮細胞分化而來的管狀突起，是植物根系的重要組分。由于根毛的形成大大增加了根系的表面積，因此普遍認為根毛對植物獲取土壤中的水分和磷素營養十分重要。在模式植物擬南芥中，根毛發育機理被廣泛研究。根毛的形成受特定的轉錄因子模塊控制，同時也受到多種植物激素（乙烯、生長素等）和信號分子（鈣信號和活性氧等）的調節。相比之下，對作物根毛形成機制的研究較少。
呼吸爆發氧化酶同源物（RBOH）在活性氧（ROS）的產生中發揮重要作用，并因此參與植物生長發育過程，影響植物的抗逆性。擬南芥有三個RBOH參與根毛的形成。為了探索OsRBOH在水稻根毛發育中的作用，該研究首先定量了水稻基因組中9個OsRBOH基因在根系中的轉錄水平，發現6個OsRBOH基因在根系中表達。進一步采用CRISPR/Cas9技術創制了這6個OsRBOH基因的敲除突變體。表型分析結果顯示，OsRBOHE 基因突變導致根毛長度降低90%、根毛密度降低50%、分蘗降低30%、籽粒產量降低30%。敲除其余五個OsRBOH基因對水稻根毛發育沒有顯著影響。
亞細胞定位結果顯示，OsRBOHE蛋白定位在質膜上。OsRBOHE啟動子連接β-葡萄糖苷酸酶（GUS）的活性分析顯示，OsRBOHE在根表皮細胞和根毛中強烈表達，在分蘗芽中也有表達。采用ROS熒光探針H2DCFDA監測野生型和osrbohe突變體根毛和分蘗芽中的ROS水平。與野生型相比，osrbohe突變體根毛和分蘗芽的ROS水平顯著降低，表明OsRBOHE在根毛表皮細胞和分蘗芽中產生ROS，從而影響其發育。
進一步采用RNA-seq分析了野生型和三個 osrbohe株系根系的差異表達基因（DEGs），發現DEGs主要富集在應激反應、胞外區域、氧化還原酶活性、過氧化氫分解過程和細胞壁生物合成等類別中。在三個osrbohe株系中，細胞壁生物合成途徑的 DEGs均顯下調，其中包括幾個已知的控制根毛發育的基因，表明OsRBOHE通過影響細胞壁重塑以控制根毛形成。
為了評估根毛在水稻磷獲取中的作用，設置了高、低磷土壤淹水和旱作四種處理。野生型和osrbohe株系在低磷土壤淹水或旱作條件下嚴重缺磷，生長受阻。在低磷土壤且旱作條件下，osrbohe株系的地上部磷濃度和磷積累量均顯著低于野生型，而在低磷土壤淹水和高磷土壤淹水或旱作條件下，野生型和osrbohe株系地上部磷濃度和磷積累量均無顯著差異，表明水稻根毛只在低磷土壤旱作條件下對磷的獲取起作用。
進一步比較了野生型和osrbohe株系抗旱性差異。正常淹水處理下，野生型與osrbohe株系生長無顯著差別，停止澆水12天后，突變體表現出比野生型更嚴重的萎蔫和干枯癥狀。復水三天后，突變體的存活率僅為野生型的6%，表明OsRBOHE功能喪失嚴重損害了水稻的抗旱性。干旱處理6天后，野生型的根毛長度顯著增加，osrbohe株系的根毛長度僅為野生型的20%。根鞘是由于根毛和粘液粘附而附著在根表面的土壤，干旱處理6天后，osbohe株系根鞘重量僅為野生型的30%。干旱處理9天時，野生型的根和根毛狀態良好，而osrbohe株系的根系萎蔫。這些結果表明，osbohe株系根毛發育和根鞘形成受阻，與土壤顆粒接觸減少，導致其抗旱能力大幅度降低。
綜上，該研究揭示了OsRBOHE在根毛形成和分蘗中的作用及其對抗旱性、低磷土壤旱作條件下磷的獲取和籽粒產量的影響。該研究為后續探究OsRBOHE基因在水稻種質間的自然變異，進行水稻抗旱性和分蘗性遺傳改良提供重要基礎。
南京農業大學資環學院博士研究生趙星宇為論文的第一作者，趙方杰教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目支持。
文章鏈接：DOI: https://doi.org/10.1111/pce.15114
日期：2024-10-16
