Plant J | 代谢和转录组解析赤霉素在黄瓜卷须中的关键作用
Plant J | 代谢和转录组解析赤霉素在黄瓜卷须中的关键作用
近日，浙江农林大学在《The Plant Journal》期刊发表题为“Tendril length is determined by gibberellin deactivation during thigmo response in cucumber”的研究论文，揭示了机械刺激如何通过调节赤霉素（GA）代谢来控制黄瓜卷须的伸长。研究结果表明，机械刺激通过抑制细胞扩张来停止卷须的伸长，这种伸长的抑制作用主要受赤霉素及其相关基因的调控。
卷须作为植物的爬升器官，在附着在一个支撑物上后，可以感知到机械刺激，并在短时间内改变其形态。近日，浙江农林大学于The Plant Journal期刊发表题为“Tendril length is determined by gibberellin deactivation during thigmo response in cucumber”的研究论文，研究结果表明，机械刺激通过抑制细胞扩张来停止卷须的伸长，这种伸长的抑制作用主要受赤霉素及其相关基因的调控。
黄瓜卷须的基本特征
黄瓜中卷须和伸长是重要的生物学过程，形态学观察表明，卷曲确保了卷须附着在支撑物上，而伸长终止确保获得的卷须具有合适的最终长度，以便附着在支撑物上。
机械刺激通过改变黄瓜卷须的GA代谢基因（和）和内源GA（GA15、GA9、GA4和GA34）的水平，从而抑制细胞的扩张而阻止卷须的伸长；
转基因到拟南芥验证和都是保守的GA失活酶；
在模拟触摸条件下，外源GA处理后可以挽救黄瓜卷须中细胞的扩张和卷须伸长，而外源性烯效唑处理可以在没有机械刺激的情况下模拟卷须伸长终止。
伸长终止是黄瓜卷须的重要响应
该研究对黄瓜的卷须进行了研究。如图1(A)所示，直卷须增加了其长度以获得支撑。在附着在支架上后，卷须在数小时内通过其顶端部分盘绕在支架上（图1B）。一旦被系住，卷须在其中间部分形成两个相反的螺旋，缩短卷须，并将黄瓜吊向附着点方向（图1C），这与之前的研究一致（Gerbode et al.，2012）。如图1（D-F）所示，卷须呈现出不同的长度。有趣的是，它们的长度与距离支架的距离呈线性相关（图1G）。这些结果表明，卷须的长度取决于与支撑物之间的距离，说明黄瓜的卷须在附着在支撑物上后其伸长停止。综上所述，卷曲和伸长终止是黄瓜卷须的两个重要的响应。
卷曲确保了卷须附着在支撑物上，而伸长终止确保获得的卷须具有合适的最终长度，以便附着在支撑物上。
图1 黄瓜中卷须的基本特征
机械刺激通过抑制细胞的扩张来阻止卷须的伸长
为了深入了解机械刺激和卷须伸长之间的关系，作者对黄瓜卷须进行了模拟触摸处理（图2A和B）。在未接触的卷须中，卷须长度在24 h内从21.3±1.6显著增加到30.0±2.2 cm。相比之下，接触卷须的卷须长度没有明显变化（从20.4±1.7到21.5±2.0cm）（图2C和D），表明黄瓜的机械刺激停止了卷须的伸长。
器官的大小由细胞增殖和细胞扩张决定。然而，在成熟的卷须中没有细胞增殖（除了卷须的芽）。然后，从卷须中部的背面准备切片，以比较未接触和接触卷须之间的细胞大小。如图2（E和F）所示，未触须和触须的表皮细胞长度分别为85.6±11.5和30.3±3.9μm，说明触须的机械刺激抑制了细胞的扩张。因此，未接触的卷须中的表皮毛状体密度明显低于未接触的卷须。综上所述，拟态触摸处理表明，机械刺激通过抑制细胞扩张来抑制黄瓜卷须的伸长。
图2 机械刺激通过抑制细胞的扩张来阻止卷须的伸长
机械刺激改变黄瓜卷须的GA代谢基因和内源GA水平
为了深入了解黄瓜卷须（延伸终止）的分子机制，作者对未接触、接触12小时和24小时的转录组进行了比较，筛选候选基因。如图3(A)所示，以|logFC| >1为阈值，发现192个基因表达上调，而85个基因表达下调。由于该反应与植物激素调节有关，在接触卷须中发现了23个差异表达基因（DEGs），这些基因在激素生物合成和代谢途径或信号通路中发挥作用（图3B）。
在机械刺激后，三个候选GA代谢基因在卷须中表达上调（图3B），包括（CsaV3_1G032430）和两个家族成员（CsaV3_2G011650和CsaV3_5G011160）。家族在黄瓜中包含3个成员，根据其在黄瓜基因组中的染色体位置分别命名为（CsaV3_2G011110）、（CsaV3_2G011650）和（CsaV3_5G011160）。RNA-seq数据显示，在12-24小时中上调7.0倍和15.3倍，与未接触组相比，在12-12-24小时中上调81.6倍和26.1倍，而在未接触时12-24小时中上调2.8倍和2.2倍。综上说明，机械刺激引起和的表达上调。
CsGA2ox3属于GA2-氧化酶（GA2oxs），通过在C-2处引入2β-羟基而使生物活性C-GAs（例如GA4)失活（图3D)（Lange & Pimenta，2020；Pimentaet al.，2013）。CYP714家族成员是降低植物中GA活性的P450单加氧酶。由于和被机械刺激上调（图3B和C），作者比较了未触须和触须的内源性GA水平。如图3(E)所示，接触卷须中的13-H GAs（GA15、GA9、GA4和GA34）均低于未接触卷须。GA4是黄瓜的主要生物活性GA，在两个生物重复中分别下降了27倍和6倍。这些结果表明，机械刺激诱导GA代谢基因降低黄瓜卷须的生物活性水平。
图3 机械刺激作用改变了卷须中的GA代谢基因和内源性GA水平
过表达和会导致拟南芥的矮小
GA2ox和CYP714是植物中保守的GA失活基因家族，作者构建了和转基因拟南芥植株，以确认其在GA代谢中的功能，并在营养和生殖阶段对其缺陷表型进行了研究。
（株系#1、#5和#8）转基因植株表现出矮小表型，而（株系#1、#7和#8）转基因植株和（株系#1、#4和#5）转基因植株表现出半矮小表型（图4）。此外，与野生型植株相比，转基因植株表现出了晚开花的表型（图4C和D）。这些结果表明，CsGA2ox3、CsCYP714A2和CsCYP714A3都是保守的GA失活酶。
图4 拟南芥中和过表达转基因植株的表型
卷须长度取决于黄瓜茎反应过程中GA的失活
为了深入了解卷须刺激反应期间的延伸终止是否依赖于GA失活，作者用拟态触摸对黄瓜卷须进行预处理，然后用外源GA或模拟处理。如图5（A和B）所示，经过模拟处理的模仿触觉的卷须长度从0小时的15.8±1.0 cm变化到24小时的17.8±1.6 cm。而GA处理的拟触卷须的长度从16.5±1.7 cm（0 h）变化到23.0±4.2 cm（24 h）。切片分析显示，24 h模拟和GA处理的模拟接触卷须的细胞长度分别为38.7±4.3和76.5±12.5μm（图5C和D）。结果表明，在模拟触摸条件下，外源GA处理后可以挽救黄瓜卷须中细胞的扩张和卷须伸长。
此外，用外源性烯效唑处理未接触的黄瓜卷须。如图5（E和F）所示，模拟处理的卷须长度从13.7±1.1 cm（0 h）增加到20.3±2.5 cm（24 h），而烯效唑处理的卷须长度从13.6±1.4 cm（0 h）只增加到16.1±2.3 cm（24 h）。切片分析显示，24 h模拟和一元唑处理卷须的细胞长度分别为44.0±4.7和20.4±3.2μm（图5G和H）。这些结果表明，外源性烯效唑处理可以在没有机械刺激的情况下模拟卷须伸长终止。综上所述，生化遗传分析表明，黄瓜卷须反应中的延伸终止依赖于GA的失活。
图5 外源性GA和烯效唑处理改变卷须长度
图6 黄瓜生长反应过程中卷须长度的决定依赖于GA的失活