细胞壁扩展蛋白和XTHs对铝促进茶树根系生长的分子响应机制

Tea plants have the distinctively response to the aluminium(Al) on promoting the root growth. The Expansins and XTHs have close relation with the root growth. This study demonstrates that how the Expansins and XTHs show their response to promote the root growth regulation with presence of Al in tea plant. Two different Al accumulated tea plant varieties are chosen as the study materials, and the homologous cloning technology and the H isotope XTH enzyme assay was applied in this study. In order to make clear the effect of the Expansins and XTHs on the root growth, the expression characteristics of the Expansins and XTHs, the accumulation of the Expansin protein in the root cell wall, the XTH enzyme activity has been accessed. Futher the auxin is the most important factor to the root growth and could regulate the genes express of Expansins and XTHs. In addition to investigate, the synthesis inhibitors and the polarity transportation inhibitors of auxin will be applied to make clear the relationship among the Al, auxin, Expansins and XTHs. This study was able to make clear the regulation mechanism to the effect of Al on the auxin and the cell wall moderation on loosen and enlargement. In future this findings could leads the theoretical basis for the further study of Al nutrition in tea plant.

茶树对铝有独特响应，适量的铝能促进茶树根系生长。根系生长与细胞壁扩展关键因子扩展蛋白（Expansins，EXPs）和木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶（XTHs）密切相关。本项目主要就EXPs和XTHs在铝促进茶树根系生长过程中的分子响应机制开展研究。以铝累积能力显著差异的两个茶树品种为研究对象，采用组织培养、同源克隆、XTHs酶活性同位素检测技术等，研究铝对参与半纤维素多糖代谢的EXPs基因及合成细胞壁重构关键酶的XTHs基因的表达特性、细胞定位、EXPs的积累量及动态分布、XTHs酶活性等的影响，探讨EXPs和XTHs对铝的响应分子机制；同时采用组培技术，利用生长素合成抑制剂、极性运输抑制剂等手段进一步探讨铝、生长素、EXPs和XTHs间的相互作用分子机制。阐明铝促进茶树根系生长过程中通过生长素对细胞壁松驰扩展关键因子EXPs和XTHs的调控机制。为进一步研究茶树铝营养特性提供理论基础。

茶树是典型耐铝植物，适量铝能促进茶树根系生长的分子机制尚不清楚。本项目研究了铝促进茶树根系生长分子机制。项目比较了不同浓度铝对茶树生长影响。发现随铝浓度升高，茶树各部位铝含量显著增加；1mM以下铝对茶树生长均表现出促进效应，以0.4mM最佳。0.4 mM铝处理42d时龙井43的根系总长、根尖数、表面积、根体积分别比无铝对照增加234%、113%、195%、154%；铝浓度达1mM时茶树表型无负效应，但光合生理表现出耐受症状；当铝浓度超过2mM时，茶树侧根及成熟叶生物量均呈下降趋势，生理出现明显受抑制现象。根细胞壁中铝含量随着铝浓度升高而显著增加，主要累积在果胶及半纤维素1上，且随铝浓度增加，半纤维素1上的铝显著增加。细胞壁关键酶XET活性在1mM铝浓度内均呈递增趋势，在4mM铝浓度受到显著抑制；Expansins活性则在0.4mM显著增加，比无铝对照提高84.3%，在1mM及以上铝浓度下受显著抑制。转录组分析表明，XTHs家族CsXTH23和 CsXTH14相对表达量分别在1mM和0.4mM浓度铝时达最大，而伸展蛋白CsEXPB14和CsEXLA8则均在0.4mM浓度铝时达最大；XTHs和Expansins相关基因表达、XET和Expansins活性与根系生长呈显著正相关；铝还调控着细胞其他活动，如上调细胞骨架(Actin cytoskeleton)、细胞肌动蛋白(Myosin)、磷与钾转运蛋白(PHT3、HAK5)等相关基因表达以促进细胞分裂、细胞生长和养分吸收，从而促进茶树根系的生长。0.4mM铝处理6h及7d时，茶树根系中IAA含量均显著高于不加铝处理，且根中IAA含量与XTH14、EXPB14表达量呈显著正相关，根尖生长素合成相关基因YUC8、AMI1及运输相关基因PIN3、PIN6、PIN8等表达量也显著增加；当加入了IAA合成抑制剂AVG后，铝处理的根尖IAA含量显著降低，且XTH23、EXPB14、EXLA8等相关基因的表达被显著抑制；当加入运输抑制剂NPA后，铝处理茶树根中、基部IAA含量显著降低。表明适宜浓度铝(0.4mM)可通过调控根系中IAA合成与运输，同时诱导XTHs和Expansins相关基因表达上调，提高XET和Expansins活性来促进茶树根系的生长。本项研究可用于茶树育苗生根，也为茶园生产中如何协调铝、磷等养分平衡提出了新的思路。