外源赤霉素保護(hù)高粱幼苗免受精異丙甲草胺藥害的機(jī)制研究

文章標(biāo)題：The mechanism of exogenous gibberellin A3 protecting sorghum shoots from S-metolachlor Phytotoxicity
發(fā)表期刊：Pest Management Science
影響因子：4.462
作者單位：河南農(nóng)業(yè)科學(xué)院
百趣提供服務(wù)：植物激素高通量靶標(biāo)定量

1.研究背景
高粱(Sorghum bicolor L. Moench.)是世界第五大谷類(lèi)作物，在生長(zhǎng)初期易受雜草干擾，造成巨大的產(chǎn)量損失。異丙甲草胺(S-Metolachlor, MET)是一種防治高粱田雜草的廣譜性苗前除草劑，已在多個(gè)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。然而，高粱對(duì)除草劑的耐受性較差，施用不當(dāng)會(huì)對(duì)高粱產(chǎn)生嚴(yán)重的植物毒性效應(yīng)。為了減輕MET的植物毒性作用，使用安全劑是有效、直接和具有成本效益的策略之一。安全劑是一類(lèi)可以在不影響除草劑活性的情況下減輕除草劑植物毒性的化合物。目前，氟沙芬、惡阿比替尼、萘酸酐、乙腈、氟唑、赤霉素(Gibberellin A3, GA3)等安全劑是高粱田常用的安全劑。

其中赤霉素是一種內(nèi)源植物激素，參與植物的多種生理過(guò)程，如促進(jìn)植物細(xì)胞伸長(zhǎng)和分裂、促進(jìn)種子萌發(fā)、調(diào)節(jié)植物開(kāi)花等。但是，GA3如何減輕除草劑的植物毒性還不完全清楚。因此，作者通過(guò)研究外源GA3和MET對(duì)高粱幼苗內(nèi)源激素的調(diào)控作用，探討外源GA3保護(hù)高粱幼苗免受MET植物毒性的機(jī)制。此外，利用qPCR分析了18個(gè)植物激素相關(guān)基因的表達(dá)譜，以闡明該過(guò)程的分子機(jī)制。

2.研究思路

3.研究結(jié)果 （1）GA3作為MET安全劑在高粱幼苗生長(zhǎng)中的作用
采用劑量-反應(yīng)生物測(cè)定法，研究了MET和GA3對(duì)高粱幼苗生長(zhǎng)的影響。MET對(duì)幼苗生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，且呈劑量依賴(lài)性。在MET處理下，高粱植株表現(xiàn)出葉片卷曲不當(dāng)、葉片畸形和生長(zhǎng)發(fā)育不良等相同類(lèi)型的形態(tài)變化（圖1）。當(dāng)MET和GA3聯(lián)合施用時(shí)，高粱葉片伸長(zhǎng)，植株生長(zhǎng)良好，生長(zhǎng)指標(biāo)恢復(fù)正常（圖1）。
 

圖1. 高粱幼苗在不同處理后7天的形態(tài)反應(yīng)。其中MET為200mg/L異丙甲草胺，GA3為800mg/L赤霉素A3 （2）GA3對(duì)MET在高粱幼苗中代謝的影響

作者通過(guò)計(jì)算不同處理下MET在高粱幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中的吸收和代謝，可以更詳細(xì)地揭示了外源性GA3如何減輕MET植物毒性。圖2為MET和MET+GA3處理下高粱幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中MET的代謝情況。MET和MET+GA3處理1h時(shí)，高粱莖部中MET含量分別為64.03mg/kg和62.13mg/kg，不同處理間無(wú)顯著差異。說(shuō)明GA3減輕MET植物毒性的途徑不是通過(guò)減少高粱對(duì)MET的吸收。
 

圖2. 異丙甲草胺的代謝動(dòng)力學(xué)

以1h時(shí)高粱幼苗中MET含量作為初始量，MET和MET+GA3處理48h后，MET代謝率分別為99.96%和99.95%。MET和MET+GA3處理48h內(nèi)MET的消散曲線(xiàn)半衰期分別為4.3h和4.4h。因此，外源GA3不能通過(guò)加速M(fèi)ET在高粱中的代謝來(lái)緩解MET的植物毒性。

（3）不同處理下高粱幼苗內(nèi)源植物激素水平
利用植物激素代謝組學(xué)方法從高粱幼苗中檢測(cè)出14種植物激素相關(guān)代謝物，并從植物激素含量、相關(guān)性和內(nèi)穩(wěn)態(tài)等方面綜合分析了MET和GA3對(duì)高粱內(nèi)源植物激素水平的影響。圖3為不同處理72h后高粱芽組織內(nèi)源植物激素水平。與對(duì)照相比，MET處理對(duì)高粱莖部組織1-氨基環(huán)丙烷羧酸(1-Aminocyclopropanecarboxylic Acid, ACC)、吲哚-3-甲酸(Indole-3-carboxylic acid, ICA)、順式玉米素(cis-Zeatin, CZ)、吲哚丙酸(indolepropionic acid, IPA)和異戊烯腺嘌呤(N6-Isopentenyladenine, IP)含量無(wú)顯著影響。
 

圖3. 不同處理后的高粱芽組織72h后內(nèi)源激素含量的變化

這表明，外源GA3并不能緩解MET對(duì)茉莉酸(Jasmonates, Jas)和吲哚-3-乙酸(Indole-3-acetic acid, IAA)水平的影響。MET和GA3對(duì)其余5種植物激素的誘導(dǎo)分為三類(lèi)：水楊酸(Salicylic acid, SA)和反式玉米素核苷(trans-Zeatin-riboside, tZR)水平在MET處理的高粱中分別顯著提高了167.00%和174.30%；而在MET+GA3處理的高粱中，兩種激素水平均顯著降低，SA含量恢復(fù)到與CK處理相當(dāng)?shù)乃�平。MET處理使高粱內(nèi)源GA3含量顯著降低78.10%，而MET+GA3處理使高粱內(nèi)源GA3含量顯著恢復(fù)，顯著提高了2091.30%。與CK相比，MET處理的植株脫落酸(Abscisic acid, ABA)和IBA水平分別顯著提高了120.20%和131.50%，MET+GA3處理的植株分別提高了1010.20%和228.40%。

根據(jù)內(nèi)源植物激素之間的相關(guān)性熱圖可以看出，GA3與其他植物激素之間的相互作用是復(fù)雜的，它們通過(guò)交聯(lián)與其他植物激素相互作用（圖4）。值得注意的是，GA3的含量與ABA呈高度正相關(guān)，與SA呈負(fù)相關(guān)（圖4）。
 

圖4. 植物激素相關(guān)性熱圖

GA和ABA都屬于萜類(lèi)家族，共同參與植物生長(zhǎng)的幾個(gè)過(guò)程，如種子萌發(fā)、抗逆性等。SA則主要作用于植物因病原侵染刺激而產(chǎn)生的防御反應(yīng)，從而間接而非直接地調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，高粱幼苗內(nèi)源GA3和ABA的含量可能是MET解毒過(guò)程中的關(guān)鍵。MET處理的高粱幼苗ABA/GA3比ck處理的植株高10.3倍，破壞了植物激素原有的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。而在MET+GA3處理中，ABA/GA3的比值與CK無(wú)顯著差異（圖5）。
 

圖5. 不同處理72h時(shí)高粱ABA/GA3比值的變化

（4）ABA和GA3相關(guān)基因表達(dá)譜
為了確定高粱中GA3和ABA積累差異的機(jī)制，對(duì)編碼GA3和ABA合成和代謝相關(guān)酶的基因表達(dá)譜進(jìn)行分析。其中有18個(gè)GA和ABA相關(guān)基因引起了作者的注意。進(jìn)一步評(píng)估后，確定了9個(gè)基因?yàn)槭躆ET和MET+GA3處理影響的主要基因。圖6為MET和MET+GA3處理后高粱樣品中9個(gè)關(guān)鍵基因在不同時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)量。MET+GA3處理下的高粱幼苗在72h和120h時(shí)分別誘導(dǎo)高粱幼苗中GA2ox基因表達(dá)上調(diào)4.4和7.2倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MET抑制了GA的合成，促進(jìn)了GA的代謝。MET+GA3處理同時(shí)促進(jìn)了GA的合成和代謝（圖6c）。

MET處理后0到120h,高粱幼苗中的ABA8ox基因轉(zhuǎn)錄水平被顯著抑制。而NCED基因表達(dá)在大多數(shù)時(shí)間點(diǎn)未受MET的調(diào)控，但在MET+GA3處理后24、72和120h分別上調(diào)至CK處理的8.0、5.8和6.4倍。另一個(gè)合成相關(guān)基因ZEP在1和72h時(shí)同樣被MET+GA3處理誘導(dǎo)上調(diào)1.9和3.0倍。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MET抑制ABA的代謝，而MET+GA3促進(jìn)ABA的合成（圖6c）。
 

圖6. 所有實(shí)驗(yàn)樣本中9個(gè)基因的表達(dá)水平

4.結(jié)論
MET的使用抑制了高粱幼苗生長(zhǎng)，這是因?yàn)閮?nèi)源植物激素如GA和ABA水平的改變，或GA3和ABA穩(wěn)態(tài)的破壞。外源施用GA3能有效地減輕MET的毒性作用，其方式與大多數(shù)安全劑不同。外源GA3可能通過(guò)補(bǔ)充MET引起的GA3水平明顯下降來(lái)緩解MET的毒性。另一個(gè)可能的原因是外源GA3恢復(fù)了ABA和GA3的穩(wěn)態(tài)。這一推測(cè)已在遺傳水平上得到證實(shí)。外源GA3主要通過(guò)上調(diào)ABA合成相關(guān)基因ZEP和NCED恢復(fù)ABA/GA3比值。這一假設(shè)揭示了外源性GA3作為安全劑的解毒途徑的新視角。