动物源氯化血红素-β-环糊精包合物调控番茄侧根发生的分子机理

Lateral root (LR) formation is not only an important agronomic trait for vegetables, but also a research model system for nitric oxide (NO) signaling transduction. Recent results showed that animal-sourced hemin, a heme oxygenase (HO) inducer, is a novel functioned compound as a plant growth inducer responsible for lateral root formation. However, the disadvantage of poor water-solubility and high photosensitivity seriously restricted its application in agricultures. Our recent results also showed that the hemin-β-cyclodextrin (H/β-CD) inclusion compound could overcome above shortcomings, and efficiently induce lateral root development. In this project, the inclusion parameters for the β-cyclodextrin modification levels and ultrasonic parameters were firstly optimized. By taking advantage of laser scanning confocal microscope (LSCM), electron spin resonance (ESR) approaches, combined with the application of the inhibitor of HO, the NO donor, inhibitors and scavenger, the spatial/temporal of NO distribution/content and LR primordia formation might be compared during hemin- and H/β-CD-regulated LR development. Combining with RNA-Seq analysis of related transcripts of target genes, such as cell cycle regulatory genes, the molecular mechanism (especially NO) of the H/β-CD -regulated LR formation would be further investigated. Thus, a non-pollution and green method for efficient induction of vegetable LR could be established. These results would not only fill the gap of hemin's application in the practices of agricultures, but also provide theoretical basis for the development of new plant growth regulators.

侧根发生既是重要的农艺性状，也是一氧化氮（NO）信号转导的研究模式。动物源氯化血红素是一种新发现的具有调节作物侧根发生的化合物，由于其具有水溶性差和高光敏性的缺点，严重制约在农业生产中的运用。我们的最近研究发现氯化血红素-β-环糊精包合物可以克服上述缺点，并具有高效诱导侧根发生的特点。本项目拟从不同的β-环糊精修饰化程度和超声波功率等方面进一步优化包合参数；采用激光共聚焦（LSCM）、电子自旋共振（ESR），结合血红素加氧酶抑制剂、NO供体以及合成抑制剂和清除剂，比较受氯化血红素及其包合物调控的番茄侧根发生过程中内源NO分布/含量以及侧根原基的变化，结合RNA-Seq探查细胞循环周期等靶基因转录本的变化，以NO为重点分析包合物调控侧根发生的分子机理, 从而建立绿色的诱导作物侧根发生的新方法。研究结果不仅可以填补氯化血红素在农业生产实践中的空白，同时也为开发新的植物生长调节物质提供理论依据。

番茄侧根发生不仅是重要的农艺形状，同时也是研究一氧化氮（NO）信号转导的模式系统。动物源氯化血红素是一种新发现的具有调节作物侧根发生的化合物，由于其具有水溶性差和高光敏性的缺点，严重制约在农业生产中的运用。我们的最近研究发现氯化血红素-β-环糊精包合物（β-CDH）可以克服上述缺点，上述包合物具有高效诱导番茄侧根发生的特点，但是不清楚其具体的分子机理。本研究首先从β-环糊精修饰化程度和超声波功率等方面进一步优化包合参数；以NO为重点分析包合物调控侧根发生的分子机理，包括采用激光共聚焦（LSCM）、结合NO供体以及合成抑制剂和清除剂、血红素加氧酶（HO-1）抑制剂处理以及侧根原基的分析，发现β-CDH处理在诱导番茄侧根发生过程的早期不仅诱导了NO的产生，同时也上调了HO-1的表达，HO-1可能是NO的下游信号分子，谷胱甘肽（GSH）和过氧化氢（H2O2）可能也参与了β-CDH诱导的番茄侧根发生过程；通过荧光定量PCR（qPCR）和蛋白质组学的方法发现SlCDKA1、SlCYCA3;1、SlCYCA2;1 和 SlCYCD3;1等细胞循环周期基因以及氧化还原蛋白是上述信号分子的靶基因/蛋白；此外，还解析了生长素诱导硫化氢（H2S）产生的酶学途径，发现生长素诱导的H2S可能也参与番茄侧根发生的过程；进一步的研究还发现，β-CDH也能诱导玉米、油菜和水稻等大田作物的侧根形成。因此本研究不仅建立了绿色的诱导作物侧根发生的新方法，同时也填补了氯化血红素在农业生产实践中的空白，且为开发相关新型的植物生长调节物质提供了理论依据。