缺锌胁迫下生长素和活性氧对玉米侧根生长发育的调控机制

Little information is available on the mechanisms of lateral root growth and development of maize in response to zinc(Zn) deficiency. The objective is to reveal possible mechanisms of auxin and reactive oxygen species (ROS) regulating lateral root (LR) growth and development of maize under Zn deficiency. Nutrition solution and agar culture experiments, and rhizobox experiment with soils will be conducted. Auxin and its polar transport inhibitor, hydrogen peroxide and its scavengers, and a inhibitor of NADPH oxidase will be applied. LR initiation and elongation will be examined and the fine localization of auxin and ROS in roots will be measured. Transcriptome analysis, genen hybridization in situ with fluorescence and RT-PCR will be done to reveal the transcript profiling and the responsive gene expressions of lateral roots mediating by auxin and ROS under Zn deficiency.

缺锌胁迫下玉米侧根生长发育特征及其调控机理缺少研究。本申请选择不同玉米品种，进行营养液、琼脂培养及根盒土培实验，设置缺锌处理，外加活性氧及其清除剂和生成抑制剂、生长素IAA及其极性运输抑制剂，动态观察缺锌胁迫下玉米侧根生长发育的形态学和细胞组织学特征；精细定位分析根系中IAA和活性氧含量和分布；通过转录组学研究，辅以基因原位杂交和实时PCR技术，分析缺锌玉米侧根生长发育过程中相关基因表达特征，揭示IAA和活性氧及其互作对缺锌玉米侧根生长发育的调控机制。

锌是植物必需的微量元素，缺锌植物体内生长素含量下降，活性氧如超氧阴离子（O2ֹ－）、过氧化氢（H2O2）增多，但生长素缺乏和活性氧是否参与调节缺锌植物根系生长发育？缺少深入研究。以玉米品种郑单958为材料，进行营养液培养，设置缺锌（0μmol/L）和供锌（1μmol/L）处理。外加活性氧及其清除和生成抑制剂、生长素萘乙酸及极性运输抑制剂，观察玉米根系生长发育和形态解剖结构；定位分析根系中IAA和活性氧含量分布；转录组学和蛋白组学研究缺锌根系生长发育过程中相关蛋白和基因表达特征。结果表明：缺锌胁迫抑制植株生长，抑制根系发育，节根数下降，新生节根长度缩短，其上侧根数减少。化学染色和荧光探针检测分析发现，缺锌胁迫下玉米节根和侧根中H2O2和O2-.积累， H2O2分布节根与侧根根尖分生区和伸长区；O2-.更多积累分生区。外源添加H2O2清除剂DMTU后，发现缺锌胁迫下根系H2O2积累降低，缺锌对节根生长抑制效应得到缓解，但侧根数发生无显著变化；正常供锌条件下，外源添加H2O2和过氧化氢酶抑制剂AT后，根系中H2O2积累增多，对节根生长也产生明显抑制作用。缺锌胁迫下节根根尖伸长区细胞数目减少，细胞长度下降，外源添加DMTU后伸长区细胞数目增多，细胞长度增加，而添加H2O2和AT处理后显著抑制节根分生区和伸长区长度，分生区缩短。缺锌影响玉米根系生长素代谢，根系生长素含量下降，RT-PCR发现生长素转运蛋白编码基因ZmPIN1c和ZmAUX1表达受抑；转录组学和蛋白组学数据同样发现缺锌根系生长素转运蛋白及编码基因表达下调。外源添加试验并未发现生长素能够缓解缺锌玉米根系生长发育的影响。转录组学和蛋白组学分析并结合PRM验证分析表明，根系中活性氧产生相关蛋白及其编码基因表达增强，而清除系统相关蛋白及其编码基因表达下降，导致根系中ROS积累。缺锌胁迫下，玉米根系细胞壁代谢与细胞伸长相关蛋白如Beta expansin8 蛋白及其编码基因表达减弱；与细胞分裂相关的蛋白如60 kDa末端盘蛋白（Protein RCC2）及其编码基因表达减弱。结论初步认为：ROS介导缺锌胁迫下玉米根系发育。缺锌胁迫下，玉米根系中活性氧产生增多，清除能力下降，局部积累的活性氧影响细胞分裂和伸长，导致新生节根缩短。