Current Biology | 上海交通大学黄国强课题组揭示ABA调控作物根生长角度响应外界干旱的作用机制

近年来，伴随着全球气候的剧烈变化，干旱已经成为影响世界作物产量的重要非生物胁迫之一。根系的生长角度在集中型和分散型根系转换中发挥决定性作用，对于提高作物的抗旱能力至关重要。集中型根系能帮助作物从更深层的土壤中获取水分，抵抗干旱。因此，研究根系生长角度的调节机制对于提高作物在干旱环境中的产量具有重要的指导意义。

近日，上海交通大学生命科学技术学院黄国强课题组在Current Biology杂志在线发表了题为“ABA-auxin cascade regulates crop root angle in response to drought”的研究论文，揭示了植物激素ABA通过促进生长素合成进而促进根系生长角度响应外界干旱的机制。

ABA是一种重要的胁迫激素，干旱可以促进植物内源ABA的合成。之前的研究发现，ABA在拟南芥中根的向水性中发挥了重要的作用（Dietrich et al., 2017）。其中，根系感知水分梯度的过程依赖于ABA信号下游的关键激酶SnRK2.2在根分生区皮层中的表达。而盐胁迫也可以通过ABA介导的微管重排介导根两侧的细胞不对称伸长，促进根的避盐性（Yu et al., 2022）。同时，ABA调控向水性和避盐性的过程不依赖于植物激素生长素。鉴于根的向水性和避盐性生长一般需要拮抗根的向地性过程，大家认为ABA极有可能在拟南芥根的向地性过程中发挥负调控作用。然而拟南芥毕竟是双子叶植物，而水稻、玉米等作物为单子叶植物，其根系为主根不明显的须根系。因此，ABA在这两类植物中可能存在不同的作用的模式。

该研究首先发现在干旱条件下，水稻倾向于从分散型根系变为集中型根系，而ABA合成的突变体则无法响应干旱，进而始终呈现出分散型的根系，证实ABA在调控水稻根系角度中的重要作用。进一步的研究发现，ABA合成的突变体具有向地性缺陷型的表型。通过测量水稻根系生长素含量以及观察生长素响应元件DR5的荧光信号，发现ABA合成突变体内部生长素含量显著减少，根表皮细胞的生长素信号显著降低。同时，定量和启动子荧光信号观察的结果显示，ABA可以促进生长素合成关键基因YUC8和MHZ10的表达，因此猜测生长素位于ABA信号下游发挥作用。此外，利用生长素类似物NAA处理可回复ABA合成突变体的向地性缺陷型表型，而利用ABA无法回补MHZ10的突变体呈现根向地性缺陷型表型，验证了ABA可以通过促进生长素合成来调控根的向地性机制。最后，利用玉米的ABA合成突变体vp5验证了这种调控机制在单子叶作物中的保守性。

综上所述，该研究首次揭示了ABA-生长素信号调控网络在调控水稻、玉米的根系生长角度响应外界干旱中的重要功能。这与之前在拟南芥中发现的ABA在皮层中感知水分梯度，促进根系向水性的机制不同，本研究发现ABA能够介导根表皮细胞中的生长素信号，促进作物的向地性过程，协助作物形成集中型根系，汲取土壤深层的水分。这项研究为开发作物根系依赖的抗旱调节剂，增强作物的抗逆性，提高作物产量提供了重要理论基础。

上海交通大学生命科学技术学院黄国强（长聘教轨）副教授和诺丁汉大学的Rahul Bhosale为本文的共同通讯作者，上海交通大学在读博士熊雅丽为本文的第一作者，博士后宋晓云、孔秀珍，博士生余速航、李乔伊、迪力夏旦木·塔什买买提以及诺丁汉大学的Poonam Mehra和Malcolm Bennett参与了本项工作。本研究得到国家自然科学基金、上海市启明星项目和高等学校学科创新引智计划的资助以及诺丁汉大学的奖学金支持。

论文链接：

https://authors.elsevier.com/a/1kPxk3QW8S6HGt