缺铁诱导的蔗糖积累对番茄根系耐缺铁响应的调控作用

Based on our previous Natural Science Foundation of China, we demonstrated that auxin (IAA) acts the upstream signal of nitric oxide in the regulation of resisting responses of strategy I plants to iron deficiency. However, the upstream signal of IAA still remains unknown. Some studies observed that iron deficiency significantly increases the sucrose accumulation in roots, while our recent study found that exogenous sucrose obviously enhances Fe-deficiency-induced ferric chelate reductase in tomato roots. In another hand, other researchers have also observed an enhancement of AtNRT1.1 expression by sucrose in Arabidopsis plants, while the AtNRT1.1 was recently demonstrated to have a function of IAA transport. Taking all above together, this applying project will be aimed to study the molecular and physiological mechanisms of iron-deficiency-induced sucrose accumulation in regulating iron-deficiency-induced resistant responses in roots by using tomato plants, and studies are mainly include: the pathway of iron-deficiency-induced sucrose accumulation in roots; the positive regulation of sucrose in enhancing iron-deficiency-induced resistant responses; Role of NRT mediated IAA transport in the above regulating process.

在前一基金的支持下，我们发现生长素（IAA）作为一氧化氮的上游信号分子调控了机理I植物耐缺铁响应的增强。然而对于IAA的上游信号过程仍不清楚。一些研究发现缺铁显著增加根系中蔗糖的积累，而我们最近研究发现外源蔗糖处理可增强缺铁根系的高铁还原酶活性。另有研究指出蔗糖也能增强拟南芥硝酸盐转运体（NRT）基因AtNRT1.1表达的作用，而AtNRT1.1转运体最近被证实具有转运IAA分子的功能。基于上述前期研究，本申请项目拟以番茄植物为材料，从缺铁诱导根系蔗糖积累的途径、蔗糖对缺铁根系各种耐缺铁响应的增强性调控作用、NRT主导的IAA转运在蔗糖调控的耐缺铁响应增强中的作用等几个方面深入研究缺铁诱导的蔗糖积累对番茄根系耐缺铁响应的调控作用及其内在的分子生理机制。

本项目首先利用转录组测序技术分析了缺铁胁迫诱导的基因表达变化，筛选了可能参与调控植物耐缺铁响应的因子，进而研究了这些因子在植物耐缺铁响应调控和铁吸收利用中的作用机制。取得的主要结果如下：1）缺铁条件下多个与铁吸收转运相关基因的表达以及调控这些基因表达的bHLH转录因子等均受缺铁胁迫的显著诱导，这对于增强缺铁胁迫下植物对铁的吸收和利用能力具有重要作用。缺铁还显著调控了与缺铁响应相关的乙烯的合成及其信号转导、生长素的信号转导途径中基因的表达，暗示激素信号可能在调控植物耐缺铁响应中扮演了重要角色。参与碳水化合物代谢和转运以及细胞壁合成和修饰的基因表达也受缺铁胁迫的显著调控。其中，缺铁胁迫增强蔗糖的转运可能对生长素的信号转导过程产生影响，进而调控根系对铁的吸收；而细胞壁合成与修饰可能会对根系质外体铁的再利用产生影响。2） 基于基因表达分析，进一步研究了缺铁条件下蔗糖对植物耐缺铁响应的调控作用及其机制。结果显示，缺铁处理增加了根中蔗糖的含量。外源蔗糖处理促进了FCR活性和铁吸收相关基因的表达。在缺铁条件下，蔗糖高积累的转基因植株35S::SUC2根中FCR活性和铁吸收相关基因的表达均显著高于野生型植株，而在蔗糖低积累突变体suc2-5中则相反。此外，外源添加蔗糖处理却无法增强生长素运输突变体中FCR活性和铁吸收相关基因的表达。可见，缺铁胁迫诱导根系积累的蔗糖作为生长素的上游信号分子提高了植物对缺铁胁迫的耐性。3）我们还研究了缺铁胁迫诱导产生的NO对根系细胞壁组成的影响及其与根系质外体铁再利用之间的关系。结果表明外源添加NO清除剂显著降低根系质外体铁含量，而NO供体 (GSNO) 则增加了缺铁根中质外体铁的含量，进而降低了木质部汁液中铁的含量。此外，外源GSNO处理降低了细胞壁果胶甲酯化程度，从而增强了细胞壁与铁的结合能力，最终增加了铁在果胶中的积累。可见，缺铁胁迫诱导产生的NO通过降低细胞壁果胶甲基酯化程度，增加了铁在根质外体中的固持，进而铁的利用。