油菜抗低硼反应与植物激素调控互作机制的研究

Phytohormones are signal molecules presenting in trace quantities in plants, which mediate the whole processes of plant growth and development. Boron (B) is an essential micronutrient for plant growth and development, and B deficiency causes significant changes in concentration and distribution of phytohormones in plants. However, the mechanism on relationship between the response in morphology and physiology to B deficiency and phytohormones regulation is still unknown. In the project, Brassica napus B-efficient and inefficient cultivars, Arabidopsis mutants in B uptake and transport, phytohormones biosynthesis and metabolism will be employed in a series of low-B stress experiments based on our previous research bases. The study focusing on JA, IAA and CTK includes 1) analyzing the temporal-spatial-dynamic changes in concentration and distribution of phytohormones in root, stem, leaf, flower, bud and fruit; 2) detecting the key enzymes activity and genes expression involving in the pathway of phytohormones biosynthesis and metabolism; 3) investigating the relationship between phytohormones change and reactive oxygen species accumulation. The aim is to reveal the mechanism on relationship between the response of Brasscia napus to B deficiency and phytohormones signaling regulation, the regulation role of phytohormones in Brassica napus resisting B deficiency, and the relationship among B-deficient response, phytohormones change and reactive oxygen species accumulation.

植物激素是植物体内的微量信号分子，它控制了植物的整个生长发育过程。硼是植物生长发育所必需的微量营养元素，植物缺硼引发多个植物激素含量和分配的显著变化。然而，植物缺硼的形态和生理反应与植物激素信号调控关系的机制尚未有报道。本申请项目在已有研究的基础上，以甘蓝型油菜抗缺硼胁迫的硼高效品种和对缺硼敏感的硼低效品种、以及拟南芥硼吸收转运和植物激素合成代谢缺陷的突变体为材料，设置不同缺硼胁迫处理，以茉莉酸（JA）、生长素（IAA）和细胞分裂素（CTK）为重点，研究1）根、茎、叶、蕾、花、荚果等组织器官植物激素含量和分配的时空动态变化；2）植物激素合成、运输和降解代谢过程关键酶活性及其调控基因表达的变化；3）以及与缺硼胁迫下活性氧积累的关系。研究结果从基因和蛋白水平上揭示油菜低硼胁迫反应与植物激素调控关系的机理、植物激素在抗缺硼胁迫中的重要调控作用、以及缺硼反应、激素变化与活性氧积累三者间的因果关系。

植物激素是植物体内的微量信号分子，它调控植物生长发育和逆境反应。硼是植物生长发育所必需的微量营养元素，但植物缺硼的形态和生理反应与植物激素调控关系的机制尚未有报道。本项目在已有研究的基础上，以甘蓝型油菜抗缺硼胁迫的硼高效品种和对缺硼敏感的硼低效品种为材料，设置不同缺硼胁迫处理，从细胞、组织器官和植株水平上重点研究：1）缺硼胁迫下不同抗性甘蓝型油菜品种不同组织器官植物激素和活性氧合成代谢途径相关基因的表达谱、激素和活性氧含量的动态变化特征及其相互关系；2）甘蓝型油菜硼吸收转运、植物激素和活性氧合成代谢途径中响应缺硼胁迫的关键基因（酶）的克隆、表达和功能。研究结果：1）建立了甘蓝型油菜悬浮细胞的培养体系，为从细胞水平上开展本项目的相关研究提供了基础；2）通过构建和分析甘蓝型油菜缺硼反应的基因表达谱，并结合荧光定量PCR检测和植物激素含量的动态变化等，明确生长素（IAA）、茉莉酸（JA）和油菜素内酯（BR）是参与油菜低硼胁迫反应的重要激素，其中IAA对缺硼的反应表现迟后，而JA对缺硼的变化反应快速，表现为爆发型的动态变化规律。3）明确了油菜缺硼与活性氧（ROS）伤害的关系，发现缺硼诱导编码NADPH氧化酶基因的显著上升和钙离子的内流增加，导致ROS，尤其是O2-和H2O2的爆发，致使膜系统伤害，进而引发离子渗漏（钾离子外排）和一系列生理生化变化而最终导致细胞死亡的途径。4）克隆并研究了JA生物合成代谢途径中的关键基因BnaA05.JAR1、BR生物合成代谢途径中关键基因BES1和BZR1s，硼高效吸收转运基因BnaA3.NIP5;1和BnaC4.BOR1;1c的功能及其在油菜不同硼效率品种间的差异表达特征。研究结果在理论上解析了油菜响应缺硼胁迫与植物激素和活性氧间的调控关系，克隆并获得的相关关键基因转基因材料为进一步研究揭示其调控途径提供了基础。发表论文10篇，其中SCI论文9篇（IF大于5的3篇），出版专著1部，申请发明专利1项，出站博士后1名，毕业博士5名。