生长素运输载体，OsAUX1，参与水稻中主根和根毛的延长和镉胁迫响应外文翻译资料

 2022-01-16 08:01

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外文翻译一

生长素运输载体，OsAUX1，参与水稻中主根和根毛的延长和镉胁迫响应

摘要

生长素和镉胁迫对根系发育有着至关重要的影响。只有很少关于镉胁迫影响生长素合成和主根和侧根发育机制的报道，并且对生长素和镉怎样干预根毛发育方面几乎一无所知。在这篇文章中，我们观察到在水培环境中，水稻osaux1突变体有更长的主根和更短的侧根，并且和野生型相比，对镉胁迫更加敏感。OsAUX1在根毛细胞中的表达和它的同源基因，AtAUX1,有所不同。AtAUX1只在非根毛细胞中表达。但是，OsAUX1,和 AtAUX1都位于质膜上，并且作为生长素运输载体发挥作用。在osaux1突变体中生长素分布和含量的降低导致在镉胁迫下OsCyCB1：1表达的降低和主根，侧根和根毛变短，但是在NAA处理下可以恢复。使用生长素运输抑制剂1-萘氧基乙酸和萘氨甲酰苯甲酸增加了野生型对镉的敏感性。在osaux1突变体中镉的含量没有改变，但是活性氧介导的损伤增强，增加了osaux1突变体对镉胁迫的敏感性。总的来说，我们的结果预示着 OsAUX1 在根系发育和对镉胁迫的影响中有着很重要的作用。

引言

生长素通过非极性运输和极性运输两种方式在植物体内运输，后者依赖载体介导的运输。极性生长素运输载体在植物生长和发育过程中扮演很重要的角色。生长素的运输载体包括生长素输入载体 AUXIN1/LIKE AUX1 (AUX1/LAX)家族和输出载体PIN-FORMED (PIN) 家族和ATP binding cassette B/P-glycoprotein (ABCB/PGP)家族。最近几年，PIN-LIKE蛋白也被报道参与生长素的运输。植物中的生长素极性运输载体使局部生长素含量升高，形成植物发育和分化的基础，调节胚胎发育，器官形成，维管组织形成和侧根起始以及热激反应。

在拟南芥中，AUX1/LAX家族有四个高度保守的成员，AUX1, LAX1, LAX2 和LAX3，有生长素的输入功能。AUX1介导拟南芥中IAA的运输，它不对称的分布在根原生韧皮部细胞表层，被认为促进了生长素从顶端后韧皮部到根尖的运动。AUX1 和LAX3影响侧根发育，LAX2调节子叶中维管形成。在水稻中， AUX1/LAX家族有5个成员，他们与拟南芥中AUX1同源。最近报道显示，OsAUX1调节侧根的发育和向重力性。但是其他的OsAUX家族成员的功能还不清楚。

生长素在植物生长发育中的作用已经被详细的调查清楚，但很少的研究来证明生长素在调节非生物胁迫特别是镉胁迫中可能的作用。镉是主要的环境污染物，并且阻碍植物生长，改变代谢，导致作物产量的降低。此外，它通过食物链导致对人类健康严重的危害。有趣的是，IAA水平的改变和大豆幼苗时期在镉胁迫下IAA氧化酶的活动有关。镉胁迫可能干预生长素的代谢，引起 Gretchen Hagen3(GH3)酶在杨树中的增加。最后，镉干扰拟南芥幼苗中生长素的动态平衡。可是，在镉胁迫下对水稻中生长素运输和动态平衡的分子机制仍然未知。

在这篇研究中，我们报道了生长素运输载体，OsAUX1，在调节主根，根毛发育和水稻对镉处理下水稻对氧化应激的耐受性。我们发现，3种独立的 osaux1缺失突变体比野生型对镉胁迫更加敏感。在osaux1突变体中，和突变体相比，镉增加了超氧阴离子自由基，过氧化氢和硫代巴比妥酸反应物质的含量，预示着OsAUX1在植物对镉胁迫耐受机制中通过活性氧介导的信号转导在生长素转运中的作用。

结果

OsAUX1缺失和获得功能的水稻株系的表征

为了了解水稻中的OsAUX1的生物学功能，三种OsAUX1的T-DNA插入突变体[osaux1-1 (3A-51110), osaux1-2 (1A-20543) and osaux1-3 (3A-01770)]被分离出来，OsAUX1的过表达系产生。通过使用 the SIGnAL database在http://signal.salk.edu/cgi-bin/RiceGE (图1a)上测序和比对，T-DNA 插入OsAUX1 第三个外显子，第五个内含子和第六个外显子上。通过DNA和RNA水平检测OsAUX1的同源缺失突变体(图1b,c and 表S1)。在OsAUX1过表达系中，OsAUX1的表达被增加了八到十倍 (图1d)。

在水培环境中生长七天后，三个osaux1系的主根比野生型的长30%，而OsAUX1过表达系的比野生型的主根长度短30%。osaux1突变体的主根对IAA和人工合成的生长素和除草剂2,4-二氯苯氧乙酸 (2,4-D)不敏感，但是过表达系对他们都十分敏感。有趣的是，这三种osaux1突变体的主根和OsAUX1过表达系的主根都对1-萘乙酸敏感，他们扩散到细胞中，恢复了oxaux1的功能。

一个表型研究显示osaux1的平均主根长是野生型的1/3(图1f和图S1).有趣的是，osaux1突变体的短的主根在IAA和2，4-D处理后不能恢复到野生型的长度。这些结果预测OsAUX1的突变体干扰了IAA和2，4-D的运输，这种运输，依赖于生长素运输载体，但是不影响NAA的输入，他可能是不依赖AUX1/LAX的。

图1。osaux1和osaux1过表达系的建立

  1. osaux1-1、osaux1-2、osaux1-3突变体的T-DNA插入位点。黑盒子代表外显子，白盒子代表未翻译区域，黑线代表内含子。倒三角形表示T-DNA插入位点
  2. osaux1-1、osaux1-2、osaux1-3中T-DNA插入位点的PCR分析。上带为OsAUX1基因片段，下带为T-DNA插入片段。
  3. OsAUX1表达的RT-PCR分析。上带为OsAUX1的丰度(32个周期)，下带为内控OsACTIN的丰度(26个周期)。
  4. OsAUX1表达的定量RT-PCR分析。在野生型和三个OsAUX1过表达系OsAUX1- o1、-O2和-O3中OsAUX1的相对mRNA水平。采用OsACTIN (Os03g50885)作为内控。进行了三次独立的生物重复试验。星号表示与野生型相比有统计学差异(**P lt; 0.01;学生的测试)
  5. 在控制条件和各种生长素处理下的野生型和OsAUX1突变体的表型特征。从左至右:WT、osaux1-1 osaux1-2、osaux1-3、OsAUX1-O1、OsAUX1-O2、OsAUX1-O3幼苗，1 lM IAA、0.1 lM 2、4-D、0.1 lM NAA处理7天。标尺= 2厘米。
  6. 野生型和osaux1-1根毛形态，1 mu;M IAA, 0.1 mu;M 2,4 D, 0.1 mu;M NAA处理3天。标尺= 1毫米。

OsAUX1在根毛细胞中的表达和 OsAUX在细胞膜的定位

在双子叶拟南芥中，AUX1不在根毛中表达，但是调节根毛的发育。基于上述实验的结果， OsAUX1功能的缺失对主根延长有影响也显示了根系发育的问题。因此，我们希望去检测 AUX1调节根系发育在水稻和拟南芥中的分子机制是否相同。 使用转基因水稻表达ProOsAUX1:OsAUX1-sGFP 和 ProOsAUX1:GUS来研究水稻的OsAUX1的表达模式。通过使用他们，发现OsAUX1在每个组织中都呈组成型表达。ProOsAUX1:OsAUX1-sGFP的表达在根毛发生和主根小于250 mu;m的时候被检测出来，但是在超过800 mu;m的成熟的根中没有被发现。在3天的幼苗中ProOsAUX1:GUS染色在所有主根中都被发现，包括靠近根冠和最接近的区域。可是，5天的幼苗中，GUS染色只在远离根冠的地方被检测到。OsAUX1不在成熟的主根中表达。这些结果预测OsAUX1呈现特异性时空表达。此外，他们证实OsAUX1在水稻的根毛细胞中表达不同于他的同源基因，AtAUX1，预示着在双子叶和单子叶植物中调节主根发育的功能性差异。

为了更好的理解OsAUX1的生物学功能，我们检测了他的亚细胞定位。 OsAUX1被35S:OsAUX1-sGFP和ProOsAUX1:OsAUX1-sGFP定位。质膜标记物 pm-rb CD3-1008共定位在烟草叶的表皮细胞和水稻的原生质体中，预示着定位在质膜上。OsAUX1 和AtAUX1在质膜上具有转运的功能

图2. OsAUX1在根毛细胞中的表达及OsAUX1的亚细胞定位。

(a-c) OsAUX1在发育中根毛细胞中的表达。ProOsAUX1:OsAUX1-sGFP转化到野生型水稻，利用激光扫描荧光显微镜对10条阳性转基因株系进行成像。左为GFP通道(绿色为GFP信号;黄色代表水稻根系的自荧光)。亮场图像。刻度尺= 100 mu;m。这些图像显示了ProOsAUX1:OsAUX1-sGFP在成熟根毛中的表达 (a)(长800 mu;m，蓝色箭头)、发育中的根毛 (b)(长250 mu;m，红色箭头)和起始根毛 (c)的细胞(白色箭头)中的表达。红色方框表示非根系毛细胞。

(d) 3日龄幼苗(左)和5日龄幼苗(右)根毛中OsAUX1的表达。ProOsAUX1:GUS基因转化到野生型水稻中，观察到10个阳性转基因株系。上面的面板显示根毛的近端区域;下面板显示根毛的远端区域。刻度尺= 100 mu;m。

(e)在CaMV 35启动子(第1行和第3行)的控制下，或在其自身启动子(第2行和第4行)的控制下，OsAUX1-sGFP融合结构在烟草和水稻原生质体中短暂表达。从左至右:OsAUX1-sGFP绿色荧光，亮场图像，原生质体膜标记pm-rb CD3-1008红色荧光，合并显微镜图像。刻度尺= 10 mu;m。

镉胁迫诱导OsAUX1在水稻主根、侧根和根毛中表达

近些年来，科学家开始密切关注生长素信号传导和重金属例如镉引起的胁迫现象之间的关系。为了调查OsAUX1和镉之间的关系，我们使用定量RT-PCR和ProOsAUX1:GUS启动子来检测OsAUX1在CdCl2处理下的表达。定量RT-PCR显示OsAUX1和他的同源基因OsAUX2, OsAUX3, OsAUX4 和 OsAUX5在CdCl2处理12h后增加了两到五倍。ProOsAUX1:GUS 和 ProOsAUX1:OsAUX1:sGFP分析进一步证实了在50 mu;M CdCl2处理确实诱导OsAUX1在主根，侧根和根毛中的表达。这些结果显示OsAUX1在镉胁迫反应中发挥作用。

图3 镉处理下根中OsAUX1的表达模式。

(a)对照5 天龄根系在对照和50 mu;M CdCl2处理12 h下，OsAUX基因表达情况，定量RT-PCR分析进行3个独立的生物重复。星号表示与对照组比较差异有统计学意义(*P lt; 0.05， **P lt; 0.01;学生的t测试)。

(b -d)水培5日龄幼苗主根(b)、侧根(c)和根毛 (d)中ProOsAUX1:GUS的表达模式(对照，左)，50 mu;M CdCl2处理12 h，刻度尺= 500 lM。本试验对10株幼苗进行了试验。

(e)水培5日龄幼苗主根(上)、侧根(中)、根毛(下)中ProOsAUX1:OsAUX1:sGFP的表达模式(左)，50 mu;M CdCl2处理(右)12 h，刻度尺= 100 mu;M。

osaux1突变体对镉胁迫敏感但是低浓度的NAA可以缓解这种敏感性

为了理解OsAUX1对镉胁迫反应的分子机制，观察野生型和osaux1突变体在镉和生长素处理7天后的表型。我们发现野生型的主根的长度在CdCl2处理下被抑制了20%，而osaux1的主根长度被抑制了50% (图4a,c)。在 CdCl2处理下，野生型侧根的数量减少了35%，osaux1-1减少了70%。osaux1-1的根毛的长度比野生型的短，osaux1-1的根毛长度减少了45%。野生型只减少了25%。有趣的是，

以主根长度和侧根密度为指标的时候，同时使用NAA可以减缓被镉胁迫引起的根系发育的抑制。而且，和单独用镉处理比较，在 Cd NAA处理下的osaux1-1突变体的主根发育显著增加(图4)。根系发育对Cd IAA处理和Cd NAA处理显示相似的趋势(图S3)。这些结果预示对镉胁迫的敏感性依赖于在osaux1-1下生长素运输的减少引起的区域生长素浓度的变化。

图4 镉胁迫对野生型和osaux1根的影响。

(a) 镉胁迫下野生型和osaux1根的表型。从左至右:野生型、osaux1-1、osaux1-2和osaux1-3在对照条件下生长或用50 mu;M CdCl2、10 nM NAA或10 nM NAA 50 mu;M CdCl2处

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