全球范围内，土壤pH值的变化是一个严峻的问题。酸性或碱性过强的土壤普遍影响着全球约40%的耕地，这不仅限制了作物的生长条件，也直接导致了作物产量的下降。作为固着生物，植物自身必须启动一系列复杂的生理和代谢调节机制来适应这种pH变化。特别是根际pH，它直接关系到植物对营养元素的吸收效率以及根系的生长情况，进而影响植物的生长。在调节过程中，根生长抑制（Root growth inhibition, RGI）是植物对极端pH条件的一个关键响应，它体现了植物在不利环境下的生长策略。
生长素和茉莉酸在调控RGI中起着至关重要的作用。生长素是一种关键的植物生长调节剂，影响细胞的扩张和分化，从而直接参与调控根的生长。茉莉酸则在植物对环境压力的信号传导中发挥作用，帮助植物应对外界环境的挑战。尽管已有研究暗示这两种激素在植物生长调控中发挥着重要作用，但它们如何响应和适应土壤pH的变化，以及这两种激素之间的相互作用机制，仍然不完全清楚。
近日，印度国家农业食品生物技术研究所（NABI）的Ajay K. Pandey研究团队在Plant, Cell & Environment在线发表了题为“Jasmonates Regulate Auxin‐Mediated Root Growth Inhibition in Response to Rhizospheric pH in Arabidopsis thaliana”的研究论文，旨在揭示植物如何通过分子机制感知和响应根际pH值的变化，特别是生长素和茉莉酸这两种关键激素如何在不同pH条件下相互作用以调节根的生长。
研究团队首先观察了不同根际pH值对拟南芥主根长度（Primary root length，PRL）的影响。结果显示，与中性（pH 5.8）相比，极端酸性（pH 3.8）和碱性（pH 7.8）条件都显著抑制了根的生长，并且这种抑制是可逆的。当植物从极端pH条件转移到中性pH条件时，根的生长可以恢复（图1）。
图1 不同土壤pH条件对拟南芥根的影响
接下来，研究团队使用生长素合成和信号传导抑制剂，如NAA（生长素类似物）、NPA（生长素运输抑制剂）和TIBA等处理，探讨了生长素在根际pH介导的根生长抑制中的作用。同时，使用茉莉酸的生物合成和信号传导抑制剂，如MeJA（茉莉酸甲酯），研究了茉莉酸在此过程中的重要角色。
利用生长素响应的报告基因，如DR5rev::GFP和DII:VENUS，研究团队观察到生长素在根尖的积累与根际pH值密切相关，酸性条件下生长素积累减少，而碱性条件下积累增加。此外，利用Jas9:VENUS报告基因，研究者观察了茉莉酸在不同根际pH条件下的动态和分布，结果显示茉莉酸的积累与根际pH值呈负相关。
进一步的基因表达分析和共聚焦显微镜观察揭示了茉莉酸通过GH3基因家族调节生长素的积累，从而调控根生长。在酸性条件下，茉莉酸的增加导致GH3基因表达上调，促进生长素分解，减少生长素积累，抑制根生长；而在碱性条件下，茉莉酸含量低，未能抑制生长素积累，导致生长素积累增加，同样抑制根生长（图2）。
图2 茉莉酸信号调节生长素对不同根际pH条件的响应
使用茉莉酸信号传导的突变体，如jar1-11和coi1-16，研究团队证实了茉莉酸信号传导在根际pH响应中的必要性。其中，jar1-11突变体对酸性条件导致的根生长抑制不敏感，而coi1-16突变体对碱性条件导致的根生长抑制不敏感。
最后，研究提出了一个工作模型，描述了根际pH如何通过调节茉莉酸和生长素的相互作用来调控根生长。在酸性条件下，高茉莉酸含量通过上调GH3基因的表达促进生长素的分解，导致生长素积累减少，从而抑制根生长。而在碱性条件下，低茉莉酸含量未能抑制生长素的积累，导致生长素积累增加，从而抑制根生长（图3）。
图3 根际pH对根生长抑制的调控工作模型
该研究揭示了根际pH通过调节生长素和茉莉酸的相互作用来控制拟南芥根的生长，为农业提供了改良作物适应极端土壤pH的策略，增进了我们对植物如何适应环境变化的理解，并有助于培育抗逆境作物，保障全球粮食安全。
原文链接：
https://doi.org/10.1111/pce.15176
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期刊介绍
Plant, Cell & Environment 作为一本国际植物科学期刊，专注于发表最高质量的相关理论或实验文章和原创研究，因其能在植物科学领域中提供研究者们全新见解的特点而倍受推崇。
期刊深入研究植物对环境的响应方式，广泛涵盖了从分子层面到群落水平的生物学、生理学和生态学等因素，涵盖植物生物化学、分子生物学、生物物理学、细胞生理学、整体植物生理学、作物生理学和生理生态学，以及与植物功能相关的结构、遗传、病理和气象方面的研究。欢迎从分子水平到群落水平的各种研究。
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撰稿：路笃贤
审核：胡子建
Wiley分子细胞科学
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