ACC合酶和IAA动态平衡在NaCl干预拟南芥根形态建成时对话机制

Salt stress obstructs plant hormone IAA and ethylene signaling invovled in plant growth and development. Given that 1-aminocy clopropane-1- carboxylate (ACC) is the precursor of ethylene, ACC synthase (ACS) is the rate-limiting enzyme of ACC biosynthesis, while IAA conjugate synthetase (ICS) directs IAA homeostasis. It remains to be clarified how activation of ACS isoform talk with ICS-mediated IAA transport and distribution in root cells. Our previous studies showed that NaCl-stimulated seedling root morphogenesis was different from the Arabidopsis loss-of-function ics mutant to wild type, but the IAA distribution in ics seedling roots showed no evident modification, and that the transcription of ACS2 gene evidently increased in ics root compared to the controls, suggesting that NaCl integrated ICS and ACS2 signaling to intrude Arabidopsis seedling root growth and development. After creating the diverse ICS expressing lines, including ICS-complemented plant, ICS over-expression plant, and double mutant icsacs2-1 plant, we try to ① verify the phenotype of ics root morphogenesis in response to NaCl stimuli compared to the ICS-expressed plants; ② evaluate the space-time specificity of the expression of ACS2 and ICS genes involving in the tissue-specificity distribution of IAA, ACC and ethylene; ③ employ transient expression, BiFC or CO-IP method to explore which was the half of the ACS2 protein dimers, and how activation of ACS2 isozyme reciprocally regulated with ICS-mediated IAA distribution in response to NaCl stimuli. These researches could disclose the role of the IAA conjugate and ACS2 isozyme in the processes of Arabidopsis seedling root morphogenesis in response to NaCl stress.

盐胁迫干涉植物激素IAA与乙烯对话而干扰植株生长发育. 已知ACS酶控制乙烯前体ACC生物合成,IAA共轭物合成酶（ICS）调控IAA信号转导,但迄今仍缺乏2种酶家族成员的活性关系证据. 前期研究获得1个介导IAA运输的ICS功能缺失拟南芥突变体ics株系, NaCl处理时, ics幼苗根形态建成明显不同于野生型, 但其根部ACS2基因转录活性大幅提高. 推测ACS2参与盐刺激的ics幼苗根形态建成. 本项目拟创建ICS回补和超表达等相关株系, 综合运用分子、生化、细胞生物学等相关技术, 在盐处理条件下, ① 比较各株系根生长发育表型; ②揭示ICS表达与根部IAA分布的关系; ③解析各株系ACS2基因表达、蛋白二聚体组分与结构特点，ACS2酶活性与ACC/乙烯产生与分布的关系; ④监测ACS2与ICS互作特点. 以期揭示IAA共轭物合成酶和ACS酶活性响应盐胁迫并调控根形态建成的机制.

盐（NaCl）胁迫通过干涉植物激素乙烯前体物质ACC和IAA稳态而损害植物生长发育。ACC合酶ACS家族成员主导ACC含量变化，拟南芥ACS2表达活性对盐敏感。植物根组织中IAA直接影响植物根形态建成，而其中的IAA稳态主要受控于其运输因子和共轭物酶（如本研究中ICS）活性。但是，迄今对ACS家族成员活性与IAA动态变化之间的关系机制知之甚少。本研究初步揭示以下可能的机制：（1）NaCl增加ACS2基因表达和蛋白磷酸化修饰因子MPK6活性，并因此改变ACC产生和分布。其中相关的主要机制可能是：在NaCl胁迫条件下，MPK6活性特异性地降低根细胞Ca2+质膜穿梭，其结果是增加植物根细胞Na+吸收，并改变了植株中Na+运输和组织分布，其中根组织中Na+积累、Na+/K+比率改变显著。伴随这一过程发生的还有IAA运输因子PINs运输活性、共轭物酶ICS活性变化。（2）MPK6可能介导根细胞伸长悠关的Ca2+和H2O2在根尖伸长区细胞中的质体和非质体分布状态，二者合理分布状态使根尖伸长区细胞伸长必须的。（3）NaCl诱导的ACS2表达升高主要发生在地上部分，但却干预根尖伸长区细胞伸长、侧根和根毛产生，其可能的机制是：ACC影响PINs活性和根尖生长区IAA含量，因为ACS2表达改变，PIN1、PIN2等运输因子活性改变。（4）IAA运输因子PINs可能受到MPK6和ACC双重调节，因此加剧根组织ICS表达活性和IAA含量变化，最终此影响根形态。这些研究结果揭示：ACS2催化的ACC产生和积累是NaCl改变IAA稳态、并因此干涉植物生长发育的信使分子。将这些研究结果引入陆地棉加以检验，将ACS2基因转入陆地棉，转基因棉株表现出耐受NaCl处理、耐受干旱+NaCl处理、开花时间提前、早熟而不早衰、棉纤维长度改善、等优良性状，其主要的机制是棉花根部IAA积累动态发生变化。相关结果发表在New Phytoloist (2015，205: 695; SCI二区，IF7.21；标明基金资助及项目批准号)、Journal of Physiology Plant (2014, 171: 26；SCI三区，IF2.971；标明基金资助及项目批准号)杂志，另有2篇国内核心期刊文章发表(标明基金资助及项目批准号)，获得国家发明专利1项，获国家自然科学奖二等奖1项。