代謝組學(xué)揭秘彌勒珠芽魔芋多葉生長的相關(guān)因素-反式玉米素核苷濃度

文章標(biāo)題：A high trans-zeatin nucleoside concentration in corms may promote the multileaf growth of Amorphophallus muelleri
發(fā)表期刊：Frontiers in Plant Science
影響因子：6.627
作者單位：昆明學(xué)院
百趣提供服務(wù)：植物激素高通量靶標(biāo)定量

1.代謝組學(xué)分享-研究背景
葡甘露聚糖(Glucomannan)是一種天然高分子多糖，吸水性強、溶脹率高、熱值低，因此具有減肥、抗糖尿病和抗氧化特性的藥理作用。彌勒珠芽魔芋(Amorphophallus muelleri)中葡甘露聚糖含量高達(dá)60%-75%，是優(yōu)良的魔芋品種之一。此外，彌勒珠芽魔芋具有多葉依次生長，共同喂養(yǎng)一個球莖的特點（圖1），這提高了球莖的膨脹系數(shù)，縮短了種植時間，增大了經(jīng)濟(jì)效益。代謝組學(xué)分享，然而，彌勒珠芽魔芋如何實現(xiàn)多葉依次生長的機制尚不清楚。由于植物激素與植物的休眠和萌發(fā)密切相關(guān)，且很少有研究涉及觸發(fā)珠芽魔芋多葉生長的激素模式。

本文作者以彌勒珠芽魔芋為研究對象進(jìn)行了植物激素高通量靶標(biāo)檢測（由上海百趣生物提供服務(wù)），涉及5種細(xì)胞分裂素(Cytokinins, CK)——激動素(kinetin, KT)、N6-(D2-異戊烯基)腺苷(N6-(D2-isopentenyl) adenosine, iP)、異戊烯基腺苷(isopentenyladenosine, iPA)、反式玉米素(trans-zeatin, tZ)、反式玉米素核苷(Trans-zeatin riboside, tZR)，探討了細(xì)胞分裂素與生長素(Indole-3-acetic acid, IAA)和脫落酸(Abscisic acid, ABA)在珠芽魔芋腋芽生長過程中的相互作用。
 

圖1. 彌勒珠芽魔芋多葉生長模式示意圖

2.代謝組學(xué)分享-技術(shù)路線

圖2. 文章的技術(shù)路線

3.代謝組學(xué)分享-研究結(jié)果
（1）彌勒珠芽魔芋生長周期中細(xì)胞分裂素水平的變化
為了研究不同生長階段球莖和葉片中細(xì)胞分裂素的變化，測定了不同生長階段球莖和葉片中KT、tZR、tZ、iP和iPA的含量（圖3）。球莖中的KT、tZR和tZ在第一葉萌發(fā)和成熟期呈增長趨勢。代謝組學(xué)分享，然而，iP和iPA則表現(xiàn)出完全相反的趨勢，休眠期含量最高，出芽后顯著下降，這種趨勢直到倒伏期才逆轉(zhuǎn)。球莖中的tZR含量變化最劇烈，在第二葉萌發(fā)期達(dá)到峰值2637.18nmoL/kg，是休眠期的5000多倍。與球莖相比，葉片中大多數(shù)類型的細(xì)胞分裂素整體呈現(xiàn)出含量相對較低且變化程度較小。代謝組學(xué)分享，葉片中KT含量在第二葉發(fā)育期最高，為90.47nmol/Kg，也是葉片中含量最高的細(xì)胞分裂素。
 

圖3. 不同類型的細(xì)胞分裂素在球莖和葉片中的濃度變化

（2）外施iP對生長性狀及不同組織iP、tZR、IAA、ABA含量的影響
為了探討休眠球莖中iP型細(xì)胞分裂素含量高的原因，作者用不同濃度的iP溶液處理休眠期的球莖。在生長性狀方面，100mg/LiP處理顯著提高了芽和根的長度（表1，圖4A）。測定發(fā)芽期根、球莖、芽中激素含量的結(jié)果表明，iP處理顯著增加了芽、球莖和根中的iP含量（圖4B）。其中，芽中iP含量為838.5nmoL/kg，分別是球莖和根的30.79倍和22.46倍，約占植株中iP總含量的93%。代謝組學(xué)分享，此外，芽中的tZR含量顯著高于對照，而球莖和根中的tZR含量與對照差異不顯著。值得關(guān)注的是，iP處理提高了球莖和根中的IAA含量，但50mg/L的iP處理對芽中的IAA含量有明顯的抑制作用。此外，iP處理對各組織中ABA含量的影響也是不一致的，iP處理顯著降低了芽和根中的ABA含量，但顯著提高了球莖中的ABA含量（圖4B）。
 

表1. IP施用對彌勒珠芽魔芋生長發(fā)育特征的影響

圖4. 外施iP對生長性狀(A)及不同組織的iP、tZR、IAA和ABA含量的影響(B)

（3）細(xì)胞分裂素生物合成和代謝途徑中關(guān)鍵基因的表達(dá)
為了探索細(xì)胞分裂素在彌勒珠芽魔芋整個生長周期生物合成中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，作者檢測了iP或iPR（iP的一種核苷）合成過程中腺苷酸異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(isopentenyltransferase, IPT)和LOG(LONELY GUY, 一種酶)的基因表達(dá)，并測定了tZ或tZR合成過程CYP735A的表達(dá)（圖5）。與第一葉成熟期相比，IPT3和IPT5在第二葉成熟期的表達(dá)顯著上調(diào)。代謝組學(xué)分享，在第二葉萌發(fā)期，本研究檢測到的所有IPTs與非萌發(fā)期相比沒有顯著變化，但CYP735A1和CYP735A2的表達(dá)與非萌發(fā)期相比均顯著上調(diào)，所有LOGs的表達(dá)與非萌發(fā)期相比雖均有所增加，但變化不顯著。細(xì)胞分裂素氧化酶/脫氫酶(cytokinin oxidase/dehydrogenase, CKX)和UGT分別是iP和tZ代謝的關(guān)鍵酶。CKX3、CKX5、CKX6和UGT75L6的表達(dá)隨著第二片葉的萌發(fā)逐漸上升。
 

圖5. 細(xì)胞分裂素生物合成和代謝途徑概述

（4）魔芋生長周期中IAA和ABA的變化
球莖IAA含量在第二葉萌發(fā)期顯著升高，達(dá)到峰值2816.94nmol/kg，比休眠期高6.59倍，比同期葉片高10.83倍（圖6A）。代謝組學(xué)分享，同第二葉萌發(fā)期IAA的高含量一致，與IAA生物合成和轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因，如吲哚-3乙醛氧化酶(AO1)和生長素外排載體PIN1A，在同一時期呈現(xiàn)出相對較高的表達(dá)水平（圖6C）。

從ABA的變化來看，休眠球莖中ABA含量最高，隨著葉芽的萌發(fā)，ABA含量大幅下降，僅為休眠期的26%（圖6B）。代謝組學(xué)分享，與ABA含量的變化趨勢相似，ABA生物合成限速酶基因NCED1的表達(dá)在第二葉萌發(fā)期也受到抑制。相反，與ABA降解相關(guān)的基因，如類胡蘿卜素裂解雙加氧酶(carotenoid cleavage dioxygenase, CCD)，或ABA受體的競爭性抑制劑，如蛋白磷酸酶(protein phosphatase, PP2C51)，在第二葉萌發(fā)期表達(dá)上調(diào)（圖6D）。
 

圖6. IAA(A)和ABA(B)在彌勒珠芽魔芋生長周期中的含量變化趨勢及參與IAA(C)和ABA(D)信號通路的轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)譜

4.代謝組學(xué)分享-結(jié)論
本研究測定了與葉萌發(fā)密切相關(guān)的植物激素水平，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在第二葉萌發(fā)期，球莖中tZR的含量比休眠期增加了5000多倍，這可能是促進(jìn)第二葉萌發(fā)的關(guān)鍵因素。雖然合成tZR前體的CYP735A1和CYP735A2的表達(dá)在第二葉萌發(fā)期升高，但在細(xì)胞分裂素生物合成中起關(guān)鍵作用的IPT的表達(dá)沒有顯著變化。與此同時，同期葉片中大部分細(xì)胞分裂素含量顯著低于球莖。因此作者推測不是球莖中從頭生物合成形成的球莖中高細(xì)胞分裂素含量。代謝組學(xué)分享，此外，在第二葉萌發(fā)期，球莖中的IAA含量也顯著增加，AO1和PIN1A在同一時期呈現(xiàn)出較高的表達(dá)水平。

相比之下，ABA含量和NCED1（ABA生物合成中的限速酶）的表達(dá)在第二葉萌發(fā)期受到抑制。值得一提的是，iP在休眠期球莖中含量較高，在第一葉萌發(fā)期后顯著下降，這與tZR的趨勢完全不同。通過用iP處理休眠球莖，芽和根長度方面的生長性能顯著高于對照，這意味著iP型細(xì)胞分裂素傾向于在促進(jìn)第一葉萌發(fā)中發(fā)揮作用。

本研究結(jié)果揭示了彌勒珠芽魔芋激素的時空變化規(guī)律，為第二葉萌發(fā)過程中主要激素的轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供新見解，這項工作有助于了解激素在多葉生長型魔芋中的作用。