植物根的类型依据不同分类标准可以分为不同种类。依据根的来源可以分为主根（胚根直接生长而成的根，垂直向下生长）和侧根（主根产生的各级分支）。根据根的发生位置可以分为定根（主根和侧根称为定根，主根来自于胚根，侧根来自中柱鞘）和不定根（由茎、叶、老根或胚轴上发生的根）。植物地下部分所有根总称为根系，又分为直根系与须根系。直根系由发达的主根及各级侧根组成，多数双子叶植物具有主根系特征。须根系的主根不明显，主要由不定根组成的根系，一般是单子叶植物所具有的根系特征。
根系中的每个根组织生长发育均来自各个根尖中的顶端分生组织（RAM），对于根的生长方向以及根系形成具有决定因素【1】。植物根系一般着生于土壤中，主要吸收矿质营养以及水分，对于植物生长发育起到重要作用。植物根的生长方向具有向水性以及向化性等，不同营养的土壤决定植物不同根的生长方向进而决定根系基本形态结构。已有研究表明，植物激素特别是生长素、营养元素例如氮和磷、糖等都参与对植物根系形态结构的形成【2-4】。今年6月份, 来自德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所的 Nicolaus von Wirén 团队发现BR信号与环境氮信号互作调控主根伸长【5】(点击查看之前的报道Nature Commun. | BR信号与环境氮素信号互作调控主根伸长)。然而，对控制根系生长和发育的分子机制仍然知之甚少。
7月12日，美国SALK研究所 Wolfgang Busch 团队在 Cell 期刊上发表了题为 Root System Depth in Arabidopsis Is Shaped by EXOCYST70A3 via the Dynamic Modulation of Auxin Transport 的研究论文。该研究利用生长素运输抑制剂对不同拟南芥生态型进行处理，以研究植物根系依赖生长素的生长方向为主要特征，进行全基因组关联分析（GWAS）分析并克隆到主效基因 EXO70A3 (EXOCYST70A3)。进一步通过遗传学、表达模式、报告基因以及生理实验揭示了 EXO70A3通过调节PIN4蛋白水平从而影响植物根系生长方向，最终决定根系形态的分子机制。
该研究中，研究人员利用拟南芥215个生态型，经过生长素运输抑制剂NPA（N-1-naphtylphthalamic acid）处理，发现不同生态型的根生长方向对非向重力性（Agravitropic）敏感性不同即根系向重力性有差异。通过全基因组关联分析（GWAS）分析发现在第5条染色体上存在相关SNP显著参与对NPA的响应。进一步对该SNP附近区域进行单倍型分析，并分成两种类型，一种是增加了根生长方向对NPA的响应，包括16种生态型，称为H单倍群(High-response to NPA)，而其他116种包括Col-0称为C单倍群(Common-response to NPA)。最终通过图位克隆鉴定到该SNP相关位点的基因是 EXO70A3 。芯片数据、RNAseq数据以及QRT-PCR分析显示，EXO70A3在根尖表达，这与植物感知重力以及根生长方向部位一致。EXO70A3 是酵母及人基因EXO70的同源基因，属于外囊8聚体复合体的一个亚基，已有研究表明人类EXO70可以引导 囊泡定位到细胞膜上，而生长素的定向运输与囊泡运输过程紧密联系，在调控生长素信号途径方面至关重要的。综合以上数据， 研究人员认为EXO70A3直接参与依赖于生长素信号途径的根生长方向调节 （ARD，auxin-dependent root directional growth）。
为了揭示EXO70A3在该调节过程中的生物学功能，研究人员获得了EXO70A3ox 突变体（启动子区T-DNA插入种子，实际EXO70A3在该突变体中超表达）以及构建了35S::GFP-EXO70A3超表达和EXO70A3缺失突变体(CRISPR-exo70A3-1及CRISPR-exo70A3-2)。使用NPA处理该 4种基因型株系观察根生长方向，发现不论是超表达还是缺失突变体，植物根生长方向均发生紊乱即 表现为非向重力性 。表明该基因正确的表达位置以及适量的表达量是植物根系保持正常生长方向所必需的。接着，研究人员通过构建自身启动子pEXO70A3Col-0驱动来自两种单倍群的CDS (C：Col-0、 Shakdara[Sha]、Lp2-2，H：LAC-5、Coc-1)转入突变体CRISPR-exo70A3-1背景，发现来自C型的CDs可以完全恢复对NPA的响应而H型不能。构建两种类型的CDS区只有一个SNP的区别，所以该 EXO70A3中的错义位点是决定不同自然变异类型的生态型ARD的主效SNP。
为了进一步揭示EXO70A3参与生长素调节根系对重力响应的分子机制。研究人员通过在EXO70A3ox背景下观察不同PINs-GFP的荧光呈现，只有PIN4蛋白水平在EXO70A3ox背景下明显积累而在缺失突变体CRISPR-exo70A3-1中明显下降，并且只发生在根尖的小柱细胞中，这与植物根系感知重力及决定生长方向部位是一致的。暗示EXO70A3可能参与PIN4有关的特异性胞吞过程，从而调节生长素在根尖分布，该结果需要更进一步的生化实验验证。
此外，研究人员发现EXO70A3特异参与依赖于生长素的根生长方向的调节，而不参与其他生长素相关特征的信号途径包括主根长度以及侧根密度等等。在NPA处理下，EXO70A3突变体表现增加对非重力性方向的改变，而没有NPA存在时，EXO70A3突变体表现出延迟对重力的响应。综上， EXO70A3是通过特异调节PIN4蛋白水平来参与对ARD的调节。
为了探究在真实生长环境中根系的结构，研究人员还研究了土壤中EXO70A3转基因突变体以及不同单倍类型植株的根系形态。结果显示，EXO70A3的缺失突变体以及超表达转基因植株根系相对野生型较深，H单倍型植株根系相对C型根系较深。另外，PIN4的缺失突变体表型与EXO70A3突变体一致，这与EXO70A3调节PIN4蛋白水平相吻合。这些数据表明在实际生长环境中，EXO70A3的不同等位突变决定了拟南芥不同生态型在土壤中的根系结构，即EXO70A3等位变异决定着根系结构多样性。根系结构的多样性一般对环境的适应息息相关，在该研究中，研究人员证实了EXO70A3参与了植物对干旱胁迫的响应。结果表明单倍型C类生态型相对H型显著增加对干旱的抗性。
EXO70A3作用模式图
综上，本文为了寻找植物特异依赖于生长素信号途径的根生长方向改变（ARD）的因素，通过对拟南芥的215种生态型进行GWAS分析发现了在NPA处理之后根的非向重力性改变的主效SNP，最终通过图位克隆确定了EXO70A3为候选基因。进一步通过遗传、表达模式以及报告基因的检测，揭示了EXO70A3通过特异控制根尖小柱细胞中PIN4蛋白水平从而调节植物根系生长向重力性。此外， 在实际生长环境中，EXO70A3能够增加对干旱胁迫的抗性，为农作物抗旱育种提供新的基因资源。
参考文献
【1】Benfey, P. N. and B. Scheres (2000). Root development , Curr Biol 10(22): R813-815.
【2】Den Herder, G., Van Isterdael, G., Beeckman, T., and De Smet, I. (2010). The roots of a new green revolution. Trends Plant Sci. 15, 600–607
【3】 Pierik, R., and Testerink, C. (2014). The art of being flexible: how to escape from shade, salt, and drought. Plant Physiol . 166, 5–22.
【4】Kong, D., et al. (2016). The WUSCHEL Related Homeobox Protein WOX7 Regulates the Sugar Response of Lateral Root Development in Arabidopsis thaliana. Mol Plant 9(2): 261-270.
【5】Jia, Z., et al. (2019).Natural variation of BSK3 tunes brassinosteroid signaling to regulate root foraging under low nitrogen. Nat Commun 10(1): 2378.
www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30684-1
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