英文標題：boron deficiency-induced root growth inhibition is mediated by brassinosteroid signalling regulation in arabidopsis
中文標題：擬南芥通過芸苔素內酯訊號調控缺硼脅迫下的根系生長抑制
期刊名稱：the plant journal
影響因子：
作者單位：華中農業大學
Proness提供服務：芸苔素內酯（BRS）含量檢測
DOI 號：https://doi: 10.1111/tpj.15311
前言
缺硼是一種普遍存在的微量營養素缺乏症，影響全球農業生產，導致作物產量損失和質量下降。 缺硼可引起多種形態結構和生理症狀，如抑制根尖生長、葉片萎縮捲曲、頂芽壞死、花流產、落果等。 在這些症狀中，植物對B缺乏症的最早反應之一是抑制根系伸長。
芸苔素內酯（BRS）是植物體內的一類多羥基類固醇植物激素，與根系發育密切相關，缺硼條件下根系生長受到迅速抑制。 然而，這種抑制機制尚不清楚，本研究旨在揭示BR訊號轉導如何在缺硼條件下抑制根系生長。 研究路線
發現：
缺硼對根系生長的影響
為了評估缺硼對擬南芥根系生長的影響，作者進行了根系敏感性實驗，以監測不同硼濃度介質下植物的主根生長和發育引數。 當硼濃度從 100 m 下降到 0在05 m處，野生型植物的主根長度顯著減少（圖1a，b）。 此外，從發芽後的第3天開始，根系的生長速率隨著硼濃度的降低而迅速降低（圖1c）。
眾所周知，根系生長抑制是細胞大小和數量同時減少的結果，為了確認在缺硼條件下生長抑制也是正確的，測量了分生組織細胞的數量和伸長細胞的長度。 結果表明，野生型植物根系分生組織較小，分生組織細胞數量減少（圖1D，E，H），為細胞週期蛋白的靶基因cycb11的表達也被下調（圖1G）。 該研究還發現，在缺硼條件下，植物成熟區的細胞長度顯著減少（圖1f，i）。
研究表明，缺硼會導致根系中分生組織細胞數量、分生組織大小和成熟細胞長度減少，從而抑制根系生長。
圖1缺硼會影響根系伸長。
BR訊號轉導和硼穩態的評估
作者通過測量缺硼和缺硼條件下野生型植物和BES1-D突變體的硼濃度和積累，進一步研究了BR訊號在硼穩態中的作用。 結果表明，在缺硼條件下，BES1-D突變體根系中的硼濃度高於野生型（圖6A）。 硼濃度的差異可能是由BES1-D突變體和野生型植物之間的幹物質差異引起的（圖6B）。 此外，野生型和BES1-D突變株之間的硼積累沒有顯著差異（圖6C）。
缺硼條件下，nip5;突變株根系生長受到嚴重抑制，NIP5增強1和bor1的表達可以增強擬南芥對低硼脅迫的抵抗力。 為了評估BES1活性是否影響硼相關基因的表達，從而影響硼穩態，作者分析了硼轉運或易位相關基因在根和芽中的相對表達。 野生型植物根系的ATNIP5與缺硼條件的比較1轉錄水平會高得多（圖6d），這與以前的研究結果一致。 在缺硼條件下，atnip5;1在BES1-D突變植物根系中的表達水平低於野生型植物（圖6D）。 作者還分析了其他硼轉運相關基因，包括ATNIP6;1，atnip7;1、atbor1、atbor2 和 atbor4。 突變型植物和野生型植物之間的ATNIP6;1、atnip7;1.ATBOR2和ATBOR4的轉錄水平無顯著變化，無論硼條件如何，BES1-D突變株芽中ATBOR1的表達水平均高於野生型[圖6（e-i）]。
圖6：野生型植物和BES1-D突變株中硼含量、乾重和硼轉運相關基因的相對表達水平。
缺硼導致BL積累減少
缺硼影響BR訊號轉導的機制可能多種多樣。 根據先前的研究，作者假設缺硼會降低BR活性並抑制根系生長。 為了驗證這一假設，作者通過q-PCR分別分析了野生型植物和BES1-D突變株在缺硼條件下參與BR生物合成的基因的相對表達水平。 與缺硼條件下相比，缺硼條件下CPD基因的表達更高（圖7A），這與RNA-Seq結果一致。 在缺硼條件下，BR6OX1和BR6OX2的基因表達水平下調（圖7B，C）。 這些基因在BES1-D突變株中的表達水平始終低於野生型植物[圖7（a-c）]。 BR6OX1和BR6OX2在PBZR1-BZR1-D中的表達趨勢與BES1-D突變株相同。 此外，在缺硼條件下，參與BRS失活的Bas1 CYP72B1基因的表達上調。
由於BR生物合成相關基因表達的顯著變化，作者測定了野生型植物和BES1-D突變株的內源性BRS含量。 分析了野生型植物和缺硼條件下生長的BES1-D突變幼苗中幾種BR衍生物的水平，包括最活躍的BR、BL、其直接前體CS、CS和前體6-脫氧切斯特酮（6DCS）。 結果表明，在缺硼條件下，野生型植物和BES1-D突變體的BL水平下降（圖7G），BES1-D突變體的BL積累量小於野生型植物。 CS水平沒有差異，但在缺硼條件下，野生型植物中6DCS的積累更多（圖7E，F）。 研究表明，野生型植物的BR生物合成減少，可能是由於BR6OX1和BR6OX2表達水平降低。
圖 7：B 缺乏導致 BL 降低。
BRS介導的缺硼誘導根系生長模型
BRS參與減少缺硼引起的根系生長。 在硼充足的條件下（圖8，左），高濃度的BL導致BL與BR受體BR1結合。 經過一系列磷酸化級聯反應後，磷酸酶 BSU1 變得活躍，使 bin2 激酶去磷酸化並導致其失活。 兩種未磷酸化轉錄因子 BZR1 和 BES1 的核積累促進了 BR 響應基因表達和根系伸長。 與缺硼條件相比，在缺硼條件下下調BR6OX1和BR6OX2基因的表達降低了BL的濃度（圖8，右）。 當BL濃度較低時，BL不再與細胞表面的BR1受體結合，導致BSu1基因表達下調。 BES1 和 BZR1 隨後被 Bin2 磷酸化，導致 BR 訊號轉導減弱。 結果，BR反應基因的表達受到抑制，導致根伸長延遲（圖8）。
圖 8：BRS 介導的缺硼誘導的培養基根系生長模型（左邊是缺硼，右邊是缺硼）（紅色和綠色矩形分別表示表達的上調和下調）。
討論與總結
芸苔素內酯（BRS）是一種參與控制根系發育的關鍵植物激素。 硼（b）是植物必需的微量營養素，在缺硼條件下根系生長會迅速受到抑制。 然而，這種抑制的機制尚不清楚。 在這裡，作者在生理、遺傳、分子細胞生物學和轉錄組水平上確定了與缺硼相關的過程，並發現了強有力的證據表明缺硼會影響BR的生物合成和訊號傳導，從而影響根系生長。 RNA測序分析表明，BR調控基因與缺硼應答基因之間存在較強的協同調控作用。 與野生型植物相比，BR受體突變株BR1-119和BR1-301對硼脅迫和硼的敏感性較低，而BR訊號增強菌株BES1-D和PBZR1-BZR1-D對缺硼脅迫的抗性顯著提高。 在缺硼條件下，外源24-表芸苔素內酯減緩了對根系生長的抑制作用，而BR合成抑制劑BRZ的加入加劇了對根系生長的抑制作用。 BES1在低硼條件下的核定位訊號低於硼充足條件下。 進一步的研究表明，缺硼通過抑制BR合成基因BR6OX1和BR6OX2的表達來減少芸苔素內酯（BL）的合成。 綜上所述，我們的研究結果揭示了BR訊號在缺硼條件下根系伸長中的作用。