利用Plantarray植物表型平臺(tái)研究番茄的“避旱”反應(yīng)

缺水抑制赤霉素積累促進(jìn)番茄快速和長(zhǎng)期的“避旱"反應(yīng)

植物通過氣孔關(guān)閉和抑制冠層生長(zhǎng)來減少蒸騰作用以避免在干旱期間脫水。雖然脫落酸 (ABA) 在“避免干旱"中起主要作用，但先前的研究表明赤霉素 (GA) 也可能參與其中。在這里，我們?cè)诜?(Solanum lycopersicum) 中表明，缺水會(huì)抑制 GA 生物合成基因 GA20 氧化酶1 (GA20ox1) 和GA20ox2 的表達(dá)，并在葉子和保衛(wèi)細(xì)胞中誘導(dǎo) GA 失活基因 GA2ox7，導(dǎo)致生物活性 GA 水平降低。 GA 代謝的干旱調(diào)節(jié)由 ABA 依賴性和獨(dú)立途徑以及轉(zhuǎn)錄因子 DEHYDRATION RESPONSIVE ELEMENT BINDING (DREB)、TINY1 介導(dǎo)。 GA20ox1 和 GA20ox2 中的突變由于較小的冠層面積而減少了水分流失。另一方面，GA2ox7 的缺失不影響葉片大小，但減弱了氣孔對(duì)缺水的反應(yīng)；在土壤脫水期間，ga2ox7 植物關(guān)閉氣孔并減少蒸騰作用的時(shí)間晚于 WT，表明 ga2ox7 氣孔對(duì)土壤脫水不敏感?？傊Y(jié)果表明，干旱誘導(dǎo)的保衛(wèi)細(xì)胞中的 GA 失活有助于土壤脫水早期階段的氣孔關(guān)閉，而葉片中 GA 合成的抑制主要促進(jìn)冠層生長(zhǎng)的長(zhǎng)期減少以減少蒸騰面積。

使用快速有效的保衛(wèi)細(xì)胞分離程序來檢查缺水是否影響保衛(wèi)細(xì)胞中的 GA 積累。采取這種快速程序是為了最大限度地減少分離過程對(duì)轉(zhuǎn)錄和激素代謝的影響。番茄 M82 (WT) 植物在正常灌溉制度下生長(zhǎng)，或暴露于缺水 [15% 土壤體積含水量 (VWC)]，然后從 3 號(hào)和 4 號(hào)葉子（自上而下）分離保衛(wèi)細(xì)胞。用中性紅染色的富含保衛(wèi)細(xì)胞的樣品的顯微鏡分析證實(shí)了保衛(wèi)細(xì)胞的活力，但沒有證實(shí)其余表皮細(xì)胞的活力。然后我們分析了富含保衛(wèi)細(xì)胞的樣品中的 GA 含量，發(fā)現(xiàn)缺水會(huì)顯著降低生物活性 GA GA1 和 GA3 以及 C-20 中間體 GA12 的水平（圖 1A，數(shù)據(jù)集 S1）。盡管 GA3 在植物中相當(dāng)罕見（Hedden. 2020），但之前的研究表明其在番茄中的積累（Li et al. 2020）。生物活性GA4的水平遠(yuǎn)低于GA1和GA3，在干旱處理中略高但不顯著。

圖1.干旱抑制保衛(wèi)細(xì)胞和葉組織中的GA 生物合成

由于缺水會(huì)上調(diào)保衛(wèi)細(xì)胞中GA2ox7 的表達(dá)，我們檢查了 GA2ox7 活性對(duì)氣孔關(guān)閉的重要性。ga2ox7 突變體最近在番茄中得到表征。該突變體具有延長(zhǎng)的上胚軸但具有WT氣孔密度的正常葉子（圖2A）。在正常灌溉下，GA2ox7 的損失對(duì)基礎(chǔ)氣孔孔徑、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度沒有影響。然而，當(dāng)ga2ox7 植物暴露在缺水條件下時(shí)，它們表現(xiàn)出的“抗旱性"降低；它們?cè)?WT 之前枯萎并且表現(xiàn)出葉片相對(duì)含水量的更快下降（RWC，圖 2A 和 B）。然后我們檢查了快速失水是否是由缺水條件下較高的蒸騰速率引起的。我們分析了使用一系列蒸滲儀在溫室中生長(zhǎng)的WT和 ga2ox7 突變植物的全株蒸騰作用。植物在灌溉下生長(zhǎng)，然后停止供水。在干旱處理的前三天，蒸騰速率沒有受到影響（圖2C）。然而，在第4天，WT 植物的蒸騰速率急劇下降，而 ga2ox7 的蒸騰速率沒有變化。僅在第五天，ga2ox7 植物減少了它們的蒸騰作用。在 ga2ox7 之前，WT 中整株植物的每日蒸騰量也減少。我們通過熱成像進(jìn)一步分析了土壤逐漸脫水過程中的蒸騰速率。在澆水良好的土壤（60% 土壤 VWC）中，WT 和 ga2ox7 的葉表面溫度相似，表明蒸騰速率相似（圖2D）。然而，當(dāng)土壤脫水至 35% VWC 時(shí)，WT 葉片的溫度升高，而 ga2ox7 的溫度沒有變化，表明 WT 而不是突變體關(guān)閉了它們的氣孔。在 15% 的土壤 VWC 下，WT 和 ga2ox7 葉片表現(xiàn)出更高且相似的溫度，表明它們的氣孔都關(guān)閉了。顯微分析表明，在輕度缺水（35% 土壤 VWC）下，70% 的 WT 氣孔關(guān)閉，而在 ga2ox7 中只有 49%（圖2E）。最后，我們分析了不同土壤 VWC 下 WT 和 ga2ox7 植物的氣孔導(dǎo)度。在灌溉植物中，WT 和突變體的氣孔導(dǎo)度相似（圖 2F)。然而，當(dāng)土壤 VWC 降低到 40% 時(shí)，WT 中的氣孔導(dǎo)度顯著低于 ga2ox7。在嚴(yán)重干旱（15% 土壤 VWC）下，WT 和 ga2ox7 的氣孔導(dǎo)度非常低且相似。這些結(jié)果表明 ga2ox7 氣孔對(duì)土壤脫水不敏感。土壤脫水過程中保衛(wèi)細(xì)胞中 GA2ox7 表達(dá)的分析表明，在土壤脫水的早期階段就已經(jīng)上調(diào)了（30% 土壤 VWC，圖 2G）?？傊?，結(jié)果表明土壤脫水早期階段的 GA 失活有助于氣孔關(guān)閉。

圖2.ga2ox7氣孔對(duì)土壤脫水不敏感

為了測(cè)試GA20ox1 和 GA20ox2的表達(dá)降低是否也會(huì)影響缺水條件下的氣孔關(guān)閉和水狀態(tài)，我們生成了 CRISPR/Cas9 衍生的 ga20ox1 和 ga20ox2 功能喪失突變體。兩種突變體都表現(xiàn)出較短的莖，較小的葉子，但在澆水良好的植物中具有 WT 基部氣孔孔徑（圖 3A；）。我們首先檢查了這兩個(gè)突變體的“避免干旱"。為此，我們將 WT、ga20ox1 和 ga20ox2 植物暴露于缺水 303 條件下，并分析了失水率。與 WT 相比，兩個(gè)突變體都保持了更高的葉 RWC（圖 3B），表明干旱下水分流失率降低。然后我們使用熱成像分析了蒸騰速率。在灌溉或缺水條件下，兩種突變對(duì)蒸騰速率都沒有影響（圖 3C）。此外，在土壤脫水期間，WT 和突變體之間的氣孔導(dǎo)度相似（圖 3D）。總之，結(jié)果表明在缺水條件下 ga20ox1 和 ga20ox2 植物中發(fā)現(xiàn)的水分流失率降低是由較小的葉面積引起的，而不是由更快的氣孔關(guān)閉引起的。

我們還通過雜交產(chǎn)生了雙突變體ga20ox1/ga20ox2。雙突變體對(duì)生長(zhǎng)表現(xiàn)出累加效應(yīng)；植物矮小，它們的葉子非常小。 ga20ox1/ga20ox2 背面葉表皮的顯微鏡分析顯示氣孔孔徑減少（圖 3E），類似于其他強(qiáng) GA 突變體，例如穩(wěn)定 DELLA 的過表達(dá)（Nir 等，2017）。與這一觀察結(jié)果一致，雙突變體的氣孔導(dǎo)度低于澆水良好的植物中的 WT（圖 3F）。這些結(jié)果表明 GA20ox1 和 320 GA20ox2 之間在促進(jìn)氣孔關(guān)閉方面存在高度冗余，但在調(diào)節(jié)葉片生長(zhǎng)方面沒有。GA20ox1 和 GA20ox2 在全葉組織中的表達(dá)遠(yuǎn)高于保衛(wèi)細(xì)胞（圖 3G）。這可以解釋為什么它們?cè)谌~子生長(zhǎng)中具有重要作用，但在氣孔關(guān)閉中沒有。

圖3.GA20ox1和 GA20ox2 的損失減少了冠層生長(zhǎng)并抑制了缺水條件下的水分流失