N-酰基高丝氨酸内酯调控拟南芥对铁吸收与转运的机理研究

Iron is an essential microelememnt for plant growth, improving the effieiency for iron uptake and transprot is important for crop yield and quality. Both nitric Oxide (NO) and cyclic GMP (cGMP) act as the improtant molecules to modulate plant grwoth and defense response. N-acyl-L-homoserine-lactones (AHLs) as the bacteria population signals belong to the quorum molecules. Here we found that AHLs treatment enhance plant tolerance to iron defeciency, while NO,cGMP and auxin are also involved in plant resposne to iron deficiency, indicating AHLs could enhance plant tolerance to iron deficiencey through the crosstalk of NO, cGMP and auinx signals. In this project we will use Arabidopsis as the material to further investigate how AHLs modulate plant tolerance to iron deficiency via NO, cGMP and auxin signals, meanwhile, we will apply quatitative proteome and CRISPR/CAS techniques to verify the new target proteins that are possibly involved in this process. Such project will help us further understand the underlying mechanism of iron uptake and transport in plants, and also provide us with the theoretical basis for modifying AHLs as a novel plant activator.

铁是植物生长必需的一种微量元素。有效提高植物对铁的吸收与转运,是提高作物产量和品质的前提；一氧化氮(NO)与环鸟核苷(cGMP)作为重要的信号分子调控植物的生长发育与抗逆反应；N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)是一类调控细菌群体效应的醌类分子。我们发现AHLs处理可以增强拟南芥对缺铁胁迫耐受的能力,而NO、cGMP与生长素信号都参与调控缺铁胁迫下拟南芥对铁的吸收与转运过程,暗示AHLs可能通过NO,cGMP与生长素信号的交互作用来促进其对铁的吸收与运输。本项目将利用拟南芥为材料,进一步研究在缺铁胁迫下AHLs如何通过调控NO、cGMP与生长素信号来促进铁吸收转运的分子机理,同时运用定量蛋白组与基因定点敲除技术寻找与验证AHLs调控过程中新的靶蛋白功能。本项目的研究将促进我们进一步理解植物对铁吸收与利用的分子机理,并为我们改造AHLs作为一种新型植物激活剂来促进植物对铁的吸收利用提供理论依据。

铁是植物生长必需的一种微量元素。有效提高植物对铁的吸收与转运,是提高作物产量和品质的前提；一氧化氮(NO)与环鸟核苷(cGMP)作为重要的信号分子调控植物的生长发育与抗逆反应；N-酰基高丝氨酸内酯(N-3-oxo-decanoyl-L-homoserine-lactone,AHLs)是一类调控细菌群体效应的醌类分子。我们的结果前期结果表明AHL作为一类原核群体效应的信号，可以促进植物生长素从顶端向根部运输并促进不定根的形成。基于以上研究，我们前期结果发现AHL可以提高拟南芥对缺铁胁迫的耐受。本项目发现附加AHL的确可以诱导NO与cGMP的产生，并促进生长系的极性运输；利用NO与cGMP合成缺陷的突变体，附加AHL不能诱导NO与cGMP的产生；进一步我们的结果表明AHL处理可以促进生长素的运输；缺铁情况下，附加AHL可以促进拟南芥对铁的吸收，包括提高FCR酶活，促进FRO2,FTI1与IRT1基因转录水平与增加叶绿素含量；在缺铁条件下与野生型Col相比，施加AHL可以促进拟南芥对铁的吸收，而AHL不能促进NO合成缺陷突变nr1/nr2与cGMP合成缺陷gc1对铁的吸收，附加NO供体GSNO与cGMP供体8-Br-cGMP可以部分提高拟南芥对铁的吸收，表明NO与cGMP介导AHL促进缺铁胁迫下对铁的吸收。抑制生长素的转运过程也可以抑制AHL促进铁吸收效应，表明AHL诱导的生长素极性运输对AHL诱导的铁吸收与转运过程是必需的。结合转录组与蛋白组学分析，我们发现一系列靶基因或蛋白参与缺铁胁迫下AHL促进的铁吸收与利用过程，这些基因也受到NO与cGMP信号的诱导。我们还发现缺铁胁迫缺铁胁迫了bHLH100蛋白的泛素化现象，对泛素化位点进行点突变去除缺铁胁迫诱导的泛素化可以增加拟南芥对铁的吸收。类似，bHLH118与FIT1蛋白也发生泛素化修饰，抑制缺铁胁迫诱导的泛素化也可以促进拟南芥小苗对铁的吸收。以上结果表明AHL作为一类新颖植物生长调节剂，能过NO与cGMP信号促进了在缺铁情况对铁的吸收，提高拟南芥对缺铁胁迫的耐受能力，在这一过程中，bHLH100、bHLH118与FIT1等转录因子发挥重要作用。该项目正式发表文章四篇，包括一篇植物生理学经典期刊Plant Physiology,培养研究生六名，包括两名博士生与四名硕士生。