PBJ | OsTET5 通过调节水稻中的离子和活性氧的稳态来调控对盐胁迫的适应性

学术   2024-10-17 09:01   浙江  



全球气候变化和土壤退化对水稻生产构成了严峻挑战,尤其是在干旱和高盐环境条件下,水稻的生长受到了极大的影响。在细胞层面,膜蛋白TET扮演着至关重要的角色,它们通过整合外部信号与细胞反应,与伴侣蛋白相互作用,形成四跨膜蛋白富集的微域(TEMs),并调节细胞粘附、运动、融合、通信、囊泡运输以及信号的接收和传递等关键过程。在植物体内,TETs参与调控发育、繁殖和免疫反应,但它们在响应非生物胁迫方面的作用尚不完全清楚。


2024年10月3日,Balaji Mani等人在国际著名期刊Plant Biotechnology Journal发表了题为“Tetraspanin 5 orchestrates resilience to salt stress through the regulation of ion and reactive oxygen species homeostasis in rice”的研究文章。该文通过分析OsTET5在不同非生物胁迫下的表达模式,发现在盐胁迫下,OsTET5在维持离子平衡中起着至关重要的作用,特别是通过保持较高的钾钠(K+ /Na+)比例。除此之外,OsTET5还通过调节抗氧化途径酶的基因表达和活性以及脯氨酸积累来调节活性的氧稳态。该文强调了OsTET5在水稻中的多方面作用,强调了其在发育过程和非生物胁迫耐受中的重要性,旨在以提高作物的适应性和生产力,应对未来环境变化带来的挑战。


首先,作者表明 OsTET5 基因对各种非生物胁迫、营养剥夺和植物激素处理均做出反应。为了详细描述 OsTET5 在水稻组织中的胁迫响应性,作者分别研究了它在暴露于不同非生物胁迫的幼苗根和芽组织中的表达,发现OsTET5启动子活性在高温、盐和缺水胁迫下显著增加,在根组织中更为突出,表明其具有增强水稻耐盐性和耐旱性的潜力。且通过组织化学染色显示OsTET5启动子活性在各个部位,包括胚芽鞘、根(初级、侧和冠)、初级叶、叶鞘、次生叶、活跃分蘖 (AT) 阶段的叶、叶领、节和叶的受伤部分(图 S2c,d)。这种广泛的分布表明OsTET5在不同发育阶段和组织类型中具有多功能作用(图 1)。


随后,作者进行了十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳和蓝色天然PAGE,以确定OsTET5的积累和OsTET5多聚体复合物的形成。并利用了从 OsTET5-Myc标签过表达转基因水稻系中纯化的微粒体级分。发现变性 SDS-PAGE 的 Western 印迹在转基因水稻系的芽组织的微粒体部分检测到 ~50 kDa 蛋白,而在未转化 (UT) 植物中未检测到信号。蓝色天然凝胶电泳结合免疫印迹显示形成大于 240 kDa 的高分子量复合物,含有 OsTET5。其结果表明,TET5 与自身和可能的其他伴侣蛋白相互作用,有助于形成富含四跨膜蛋白的微结构域。


图1 OsTET5 的表达分析、启动子活性、亚细胞定位和蛋白质相互作用分析




为了探索 OsTET5 在水稻生长发育中的功能,作者通过农杆菌介导的转化方法将OsTET5的表达构建导入水稻胚乳衍生的愈伤组织中,产生了不同表达模式的转基因水稻株系,包括未转化对照(UT)、空载体(EV)、过表达OsTET5(OX-OsTET5)和OsTET5/6的抑制表达(KD-OsTET5/6)。结果表明,OsTET5 的过表达对与生长发育相关的关键农艺性状产生积极影响,可能导致提高谷物产量,而不会明显影响谷物填充。


图2 在最佳生长条件下对 OsTET5 表达发生改变的转基因水稻植物进行表型分析。


为了阐明 OsTET5 在抗逆性中的作用,将分蘖活跃阶段的叶片切割片段暴露在各种非生物胁迫条件下,然后在黑暗中孵育 5 天。与 UT 的叶子相比,两种 OX 品系的叶子都更绿,并保留了更高的叶绿素含量。相反,KD 品系的叶子表现出较低的叶绿素水平,表明它们对非生物胁迫的高度敏感(图 3)


 

图3 通过分离叶片衰老测定对 OsTET5 表达改变的转基因水稻植物进行非生物胁迫耐受性评估。监测非生物胁迫处理后 UT、EV、OX 和 KD 水稻品系分离叶片在黑暗中诱导衰老的进展 [热胁迫 (42 °C 黑暗 8 h)、盐胁迫 (200 mM NaCl 黑暗 24 h) 和水分缺失胁迫 (15% PEG 黑暗 24 h)]。



具有挑战性的环境会诱导过量 ROS 的积累,例如过氧化氢 、超氧离子 (O2•)、羟基自由基和单线态氧,触发植物内的氧化应激。因此,监测细胞 ROS 水平可作为植物胁迫水平的有效指标。为了将 ROS 水平与 ROS 清除酶相关联,作者通过测量 PEG 胁迫水稻幼苗的芽和根组织中抗氧化酶——超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化氢酶 (CAT)和谷胱甘肽还原酶(GR)的活性。在无胁迫条件下,与 UT 幼苗相比,OX 品系表现出显着更高的SOD、CAT 和 GR 活性。总体而言,OsTET5 转基因水稻品系中这些抗氧化酶活性的调节与对照和干旱胁迫条件下 ROS 积累的不同水平相关。

图4 评估 OsTET5 表达改变的转基因水稻植物的抗旱性


为了评估 OsTET5 转基因株系在盐胁迫下的性能,作者在两个不同的发育阶段将它们暴露于 200 mM NaCl 中。在盐度存在下开始发芽,7 天后记录发芽百分比,随后监测植物生长长达 14 天。在将 21 日龄幼苗置于 200 mM NaCl 中 3 天,然后恢复期 3 周后,评估了转基因水稻品系的生长参数。在早期恢复阶段,UT 和 OX 品系均显示出较好的恢复迹象,而KD品系表现出严重的萎黄和萎缩,随后进一步恶化。盐胁迫后 KD 品系的这些生理特性受到显着损害,MSI 降低 8-11%,RWC 降低 5-8%,叶绿素含量急剧降低 84-86%。总之,该研究结果强调了 OsTET5 在调节水稻耐盐性中的关键作用。

图5 评估 OsTET5 表达改变的转基因水稻植物的耐盐性。


为了阐明 OsTET5 赋予水稻耐盐胁迫性的分子机制,作者对三个水稻系 (UT、OX-2 和 KD-3) 在盐胁迫和正常条件下的芽和根组织进行了转录组分析。对所有三个水稻品系的处理与对照中鉴定的 DEGs 进行基因本体论 (GO) 分析,揭示了几个相似的 GO 术语的富集,包括生物过程(生物过程、代谢过程、转录、转运和应激反应的调节)、细胞成分(细胞、细胞核和膜等亚细胞类别)和分子功能(离子结合、氧化还原酶活性、转录因子活性和抗氧化活性。总体而言,UT、OX 和 KD 品系中相似 GO 术语的富集表明,OsTET5 介导的盐耐受性涉及多种调节途径,并且这些途径的成分可能是这些品系对盐胁迫的不同反应的原因。


OsTET5 的过表达显著增强了各种 ROS 相关基因的表达。在 OX 幼苗中,与对照条件下的 UT 幼苗相比,芽中抗坏血酸过氧化物酶 (OsAPX7) 、谷胱甘肽还原酶 (OsGR2) 和谷胱甘肽-S-转移酶 (OsGSTU50) 的转录水平显著升高,并观察到在控制和盐胁迫条件下,OX 系中与细胞运输机制相关的基因上调。

图6 盐胁迫下 OsTET5 表达改变的转基因水稻幼苗的芽和根组织中选定转录物的表达谱


总体而言,该研究结果表明,OsTET5 在水稻中的表达增强协调了多种胁迫反应途径、ROS 稳态和细胞运输机制的调节,从而增强了植物在正常和胁迫条件下的适应性。

原文链接:

 https://doi.org/10.1111/pbi.14476


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