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褪黑素在调控植物生长发育及生物与非生物胁迫中有重要作用，比如褪黑素参与了叶片衰老、开花、果实成熟和根发育等生物学调控过程。另外，褪黑素还在非生物胁迫如冷胁迫、高温、重金属、盐害、氧化胁迫、干旱和不同生物胁迫如细菌、真菌和病毒中有重要调控作用，但其在水稻分蘖芽产生和分蘖数形成中的生物学作用还不清楚。
近日，贵州大学农学院方中明课题组在Frontiers in Plant Science在线发表了题为“Melatonin mediates axillary bud outgrowth by improving nitrogen assimilation and transport in rice”的研究论文，揭示了褪黑素通过促进水稻氮素同化和氨基酸转运影响水稻分蘖芽伸长的调控机制，还发现了碱性氨基酸对水稻分蘖芽抑制的机制及利用褪黑素解除其抑制的原因，为在富含氨基酸环境下利用褪黑素素改善水稻分蘖和产量提供了理论依据。
图1 不同浓度褪黑素和碱性氨基酸处理下水稻分蘖芽的表型
在本研究中，作者发现不同浓度的褪黑素影响水稻分蘖芽的伸长，适度浓度的褪黑素不仅能促进水稻分蘖芽伸长，且能够解除高浓度碱性氨基酸（赖氨酸和精氨酸）对分蘖芽伸长的抑制（图1）。为了进一步揭示褪黑素和碱性氨基酸对水稻分蘖芽伸长的调控机制，作者对褪黑素处理下的水稻分蘖芽和基部进行了转录组测序。转录组分析表明，这些差异基因主要富集在氮代谢、植物激素信号转导、植物病原相互作用和核糖体途径中。随后作者将转录组分析重点放在氮代谢途径，并在里面筛选到了褪黑素和碱性氨基酸共同调控的且可能与分蘖芽伸长相关的谷氨酰胺合成酶基因OsGS2和氨基酸转运基因OsAAP14。
为了进一步验证OsGS2和OsAAP14是否是褪黑素和碱性氨基酸调控水稻分蘖芽伸长的关键基因，研究者构建了上述基因的植物表达载体并获得了相关材料。利用这些材料表明，OsGS2和OsAAP14过表达植株第一和第二分蘖芽的长度比对照显著增加。在1 μM褪黑素处理中，过表达植株的第一和第二分蘖芽的长度增加更加明显。然而，干扰和突变体植株的分蘖芽长度无论是否有褪黑素处理都很短，显示已失去对外界褪黑素的响应。对OsGS2和OsAAP14基因的启动子-GUS植株各组织部位染色发现，在褪黑素为1 μM单独处理或与高浓度赖氨酸+精氨酸共同处理时染色变深，进一步通过石蜡切片证实了具体组织表达部位。此外，研究者还发现OsAAP14两种剪接的过表达株系与对照相比，其总游离氨基酸、叶绿素含量比对照显著增加，水稻分蘖数和单株产量比对照也明显增加（图2）。
图2 OsAAP14 过表达植株和突变体植株的分蘖表型和单株产量统计
以上结果表明谷氨酰胺合成酶基因OsGS2和氨基酸转运基因OsAAP14是褪黑素和碱性氨基酸共同调控水稻分蘖芽伸长的关键基因，研究揭示了褪黑素通过促进水稻氮素同化和氨基酸转运影响水稻分蘖芽伸长的调控机制，增加了对水稻生长发育调控网络的理解，为在富含氨基酸环境下利用褪黑素改善水稻分蘖和产量提供了理论依据。
贵州大学硕士研究生杨过为论文的第一作者，方中明教授为论文的通讯作者，本科生韦熙林参与了研究。该研究得到了贵州省教育厅“科技拔尖人才”项目和贵州大学重点培育项目等的资助。
论文链接：
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.900262
此外，课题组近期还发现了褪黑素在兰属植株春兰和蕙兰组织培养的根状茎增殖、分化和生根上有重要调控作用。研究结果以“Melatonin-induced rhizome proliferation, differentiation, and rooting during rapid propagation of Cymbidium goeringii and Cymbidium faberi”发表在HORTSCIENCE上（https://doi.org/10.21273/HORTSCI16704-22）。贵州大学黄玮婷副教授为论文的第一作者，方中明教授为论文的通讯作者，研究生黄小艳参与了研究。
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