华中农业大学/佛山科学技术学院研究团队揭示硼缓解酸性土壤铝毒抑制植物根系生长机制

责编 | 王一

近日，来自华中农业大学、佛山科学技术学院和德国波恩大学的研究团队在The Plant Journal发表了题为Boron Supply Restores Aluminum-Blocked Auxin Transport by Modulation PIN2 Trafficking in the Root Apical Transition Zone的研究论文，揭示了硼缓解酸性土壤铝毒抑制植物根系生长的机制。

酸性土壤中，植物不仅遭受铝毒害，而且面临缺硼胁迫。前期研究发现硼缓解铝胁迫对根尖生长素运输抑制，但该机制尚不清楚。生长素 （auxin，IAA） 从地上部向根尖静止中心 （quiescent center，QC） 的运输依赖于定位在中柱和中柱鞘的PIN1/3/4/7载体蛋白协同作用。IAA从QC再分配到伸长区 （elongation zone，EZ ）主要依赖于表皮细胞膜PIN2载体蛋白。该研究利用共聚焦荧光显微镜观察转基因DII-VENUS和DR5-GFP株系发现铝胁迫诱导根尖分生区 （meristem zone，MZ） 和过渡区 （transition zone，TZ） 生长素积累，伸长区生长素含量减少，硼能缓解该过程。利用药物干扰及转基因材料PIN2-Dendra2实时观察铝胁迫和供硼对PIN2膜蛋白的影响，结果发现铝胁迫引起PIN2膜蛋白含量增加依赖于铝对PIN2膜蛋白内吞作用的抑制，而不依赖于PIN2基因转录调控。PIN2膜蛋白内吞和循环实验进一步证实供硼促进PIN2膜蛋白内吞和循环来缓解铝对PIN2囊泡运输的抑制。

综上，研究团队提出了硼缓解铝胁迫抑制根尖表皮细胞IAA输出模型，即PIN2蛋白和IAA共定位在内化的囊泡内，通过囊泡的循环促进IAA输出。铝抑制细胞膜流动性来阻碍PIN2蛋白内化。硼不仅能促进PIN2载体内吞作用，而且能促进它的分泌，该过程能够修复铝导致的伸长区生长素匮乏。该研究为揭示酸性土壤中供硼缓解铝胁迫机制提供了新的见解。

华中农业大学和佛山科学技术学院联合培养博士研究生陶林为论文第一作者，佛山科学技术学院喻敏教授、华中农业大学石磊教授和德国波恩大学František Baluška教授为共同通讯作者，佛山科学技术学院课题组吴飞华教授、李学文副教授、冯英明副教授、刘家友讲师、李亚林博士、南京土壤研究所沈仁芳教授、澳大利亚塔斯马尼亚大学Sergey Shabala教授、佛山科学技术学院硕士研究生朱虎及本科生萧晓仪、黄秋雨、郭芷珊、德国波恩大学博士研究生Niloufar Pirayesh、Sakil Mahmud也参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/tpj.16129