1. 褪黑素促進銅脅迫下甜瓜根的發育
不同處理對甜瓜幼苗根系形態的影響明顯。未處理的對照(CK1)幼苗具有長的主根和許多側根。相比之下,銅脅迫(CK2)幼苗的主根較短,側根較少(圖1)。CK2幼苗的根長,根表面積和根尖數分別減少了62%,52%和70%,而與CK1幼苗相比,其根部平均直徑增加了40%(表1)。褪黑素預處理促進了甜瓜根的發育(圖1)。褪黑素預處理組的根表面積和根長顯著增加,尤其是用100 μmol/L褪黑素(MT3)預處理與CK2幼苗之間相比。MT3幼苗的根表面積和根長分別增加了183%和168%。除了10μmol/L褪黑素(MT1)的幼苗,與CK2幼苗相比,經分別為50、100、300、500和800 μmol/L褪黑素預處理的幼苗,分別對應於MT2-MT6,根體積顯著增加了200%,250%,150%,150%和150%。相對於CK2幼苗,MT1-MT6幼苗的平均根直徑分別增加了10%,6%,18%,6%,16%和14%。與CK2幼苗相比,MT2-MT6幼苗的根尖數分別增加了62%,54%,70%,28%和13%,而MT1幼苗的根尖數減少了5%(表1)。MT1-MT6幼苗表明CuSO4脅迫下褪黑素預處理,尤其是MT3處理,顯著促進了根的發育。
圖1 褪黑素對CuSO4脅迫下甜瓜根發育的影響
CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300 μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT1–MT6,分別用10、50、100、300、500或800 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。比例尺= 2 cm。
表1 褪黑素對銅脅迫下甜瓜根形態的影響
同一列中的不同字母表示顯著差異(p <0.05,最小顯著性檢驗)。CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300 μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT1–MT6,分別用10、50、100、300、500或800 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。
2. 褪黑素改善甜瓜根對過量銅的抗性
抗氧化酶過氧化氫酶(CAT),過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性在處理之間存在顯著差異。與CK1幼苗相比,CK2幼苗的CAT,POD和SOD活性分別降低了35%,39%和26%。在褪黑素預處理下,抗氧化酶的活性與CK2幼苗相比有所提高:MT1-MT6幼苗的CAT活性分別增加了13.82%,50.88%,49.12%,32.65%,25.29%和23.24%;MT1-MT6幼苗的POD活性分別增加了16.17%,30.25%,66.13%,65.21%,65.69%和61.46%;MT1-MT6幼苗的SOD活性分別增加了14%,26%,51%,41%,25%和21%(圖2a-c)。
CK2幼苗的MDA含量比CK1幼苗增加了40%。與CK2幼苗相比,MT1-MT6幼苗的MDA含量分別降低了16.17%,29.17%,46.67%,40.64%,39.58%和30.10%(圖2d)。
與CK1幼苗相比,CK2幼苗的脯氨酸含量增加了80%。與CK2幼苗相比,褪黑素預處理MT1-MT6幼苗的脯氨酸含量分別降低了32.21%,38.68%,49.81%,55.68%,51.73%和44.07%(圖2e)。
相對於CK1幼苗,CK2幼苗的根系活力降低了69%,相對於CK2幼苗,MT1–MT6幼苗分別提高了61.08%,86.10%,140.13%,119.79%,118.87%和105.29%(圖2f)。
這些結果表明褪黑素對銅脅迫下甜瓜根的發育有積極的影響,而100 μmol/L褪黑素預處理表現出最佳的效果。
褪黑素部分緩解了銅脅迫,100μmol/L(MT3)褪黑素預處理響應最佳。因此,作者選擇了CK1,CK2和MT3處理進行轉錄組和代謝組學分析,以確定與褪黑素減輕甜瓜銅毒性有關的候選基因和代謝物。
圖2 褪黑素對CuSO4脅迫甜瓜的生理指標的影響
a,褪黑素對甜瓜過氧化氫酶(CAT)活性的影響;b,褪黑素對甜瓜過氧化物酶(POD)活性的影響;c,褪黑素對甜瓜超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響;d,褪黑素對甜瓜丙二醛(MDA)含量的影響;e,褪黑素對甜瓜脯氨酸含量的影響;f,褪黑素對甜瓜根活力的影響。CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT1–MT6,分別用10、50、100、300、500或800 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。
3. 褪黑素誘導的DEG和DEM
(1)相應於銅脅迫褪黑素預處理對DEG分析
通過對從CK1,CK2和MT3幼苗根中提取的RNA進行測序,獲得了三個cDNA文庫。每個文庫包含超過6.3 Gb的高質量數據。每個文庫中超過94.4%的高質量數據得分均高於Q30。總共有90.64%到92.31%的高質量片段被定位到參考基因組(表2)。
在三個文庫的測序基礎上,以倍數變化≥1.5和錯誤發現率(FDR)<0.05為閾值,從每個兩處理的比較中(即CK1與CK2,CK1與MT3,CK2與MT3)獲得DEG。根據這三種處理的log10(FPKM)值,對DEG進行了層次聚類分析,以觀察基因的整體表達模式;綠色和紅色條帶分別代表低和高的基因表達水平(圖3a)。
圖3b顯示了三種處理之間DEG的差異。作者在CK1和CK2甜瓜根文庫之間檢測到805個與的銅脅迫相關的DEG(相對於CK1,486個基因上調,319個基因下調)。此外,在CK2和MT3文庫之間共檢測到70個DEG(相對於CK2中的28個基因上調,42個基因下調),這與對外源褪黑素的響應以及褪黑素減輕銅毒性有關(補充表S1)。這些對外源性褪黑素有響應的基因被認為是進一步研究的重要候選基因。
根據GO分類對DEG的功能進行分類。CK1和CK2之間的675個DEG被注釋,其中大多數富集於細胞組分,催化活性,單一生物過程,細胞器和其他功能類別。在CK2和MT3之間,有52個帶有GO注釋的DEG,主要富集於細胞組分,結合,單一生物過程,代謝過程和其他功能類別(圖3c;補充表S1)。
作者還對DEG進行了KEGG富集分析,以確定在銅脅迫下褪黑素誘導的甜瓜側根發育過程中的主要途徑。在CK1和CK2文庫之間,將159個DEG分配給了78條KEGG途徑;主要的富集途徑是有28個基因的苯丙烷類生物合成(ko00940)(CK2中的23個基因被上調,而5個基因被下調);有17個基因的澱粉和蔗糖代謝(ko00500)(CK2中的14個基因被上調和3個被下調)。在CK2和MT3之間,將11個DEG分配給了8條KEGG通路;在這些DEG中,主要的途徑是亞油酸代謝(ko00591)(在MT3中4個基因被下調)和內吞作用(ko04144)(在MT3中3個基因被上調)(補充表S1和S2)。
為了確認RNA序列數據,使用定量實時PCR(Q-PCR)評估了12個隨機選擇的基因的表達。如圖3d所示,Q-PCR數據與RNA-seq數據一致,並且顯著的正相關(R2 = 0.7762)支持了RNA-seq數據的可靠性。
作者對甜瓜根樣品(來自CK1,CK2和MT3幼苗)進行了代謝物譜分析,以評估褪黑素預處理對銅脅迫下甜瓜幼苗根部的總體代謝作用。在CK1和CK2處理之間總共檢測到580種顯著差異白表達的代謝物,相對於CK1處理,有288種上調和292種下調。其中,羥基氫醌,loquatoside,lucuminamide和半乳糖神經醯胺的水平至少增加了兩倍,而在銅脅迫下,4-(β-D-呋喃核糖基)苯胺5'-磷酸,4'-羥基鹽酸曲唑酮和尿苷2',3'-環磷酸酯的水平下降了60%以上。在CK2和MT3處理之間,檢測到318個DEM,相對於CK2處理,上調了168個,下調了150個。在褪黑素預處理下,Val-Phe,L-羥甲基幹胺和長醇基二磷酸鹽顯示出相對較高的水平,而尿苷,棉子糖和十六碳二酸顯示出相對較低的水平(圖3e;補充表S3)。
為了確定在銅脅迫下對褪黑激素有響應的甜瓜幼苗根系中涉及的主要途徑,作者將差異表達的代謝產物映射到KEGG生物學途徑。如補充表S4所述,CK1和CK2處理之間52個顯著差異表達的代謝物被分配給67個KEGG途徑,包括代謝途徑(ko01100),次級代謝產物的生物合成(ko01110),胺基酸的生物合成(ko01230)和碳代謝(ko01200)等。在CK2和MT3處理之間,30種顯著差異表達的代謝物被富集到44種KEGG途徑,包括代謝途徑(ko01100),次級代謝產物的生物合成(ko01110),嘧啶代謝(ko00240)和亞油酸代謝(ko00591)等。
表2 序列數據匯總
CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300 μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT3,用100 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。
圖3 褪黑素誘導的差異表達基因(DEG)和代謝物(DEM)
a,褪黑素誘導的DEGs的層次聚類;b,DEG的維恩圖;c,DEG的GO類別總結;d,RNA-seq和定量實時PCR(Q-PCR)表達數據(log2倍變化)之間的關係(R2 = 0.7762)。e,DEM的維恩圖。CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300 μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT3,用100 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。
4. 褪黑素調節抗氧化酶活性和氧化還原相關的基因表達,以保護甜瓜根免受銅脅迫
抗氧化酶具有保護植物免受脅迫誘導的氧化損傷的能力。在本研究中,發現CK2的CAT,POD和SOD活性相對於CK1分別降低了35%,39%和26%,但是相對於CK2,MT3的分別增加了49%,66%和51%(圖4a–c)。MDA含量呈現相反的趨勢;在銅脅迫下,根中MDA含量增加了40%,而褪黑素預處理的根中MDA含量減少了47%(圖4d)。這些結果表明褪黑素可以減輕甜瓜根中過量銅引起的氧化脅迫。
檢測到許多與氧化還原相關的基因,包括過氧化物酶,脂氧合酶和穀氨酸脫氫酶。在CK1和CK2之間,相對於CK1,上調了51個基因,下調了26個基因;然而,相對於CK2,在CK2和MT3之間有2個基因上調,有10個基因下調(補充表S1)。總共,在所有三種處理中9個差異表達的基因被分配給氧化還原過程(GO:0055114)。在銅脅迫下,其中8個基因被銅脅迫上調,但被褪黑素下調,而其中1個基因被過量銅下調,但被褪黑素上調(圖4e)。在銅脅迫下被褪黑素下調的4種脂氧合酶分配給膜分解(GO:0030397)和茉莉酸生物合成過程(GO:0009695)(補充表S1)。
圖4 褪黑素對甜瓜中氧化還原酶和基因的影響
a,褪黑激素對CAT活性的影響;b,褪黑素對POD活性的影響;c,褪黑素對SOD活性的影響;d,褪黑素對甜瓜中MDA含量的影響;e,褪黑激素對甜瓜中氧化還原基因表達的影響。CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300 μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT3,用100 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。
5. 褪黑素改變細胞壁相關基因表達以促進甜瓜根形成
根的發育與細胞壁的形成密切相關。從轉錄組分析中,發現褪黑素調節細胞壁相關基因的表達。在CK1和CK2之間,有54個DEG(相對於CK1中的13個基因被上調,而41個基因被下調),而在CK2和MT3之間,有6個DEG(相相對CK2中的2個基因被上調,4個基因被下調)。褪黑素預處理上調了過氧化物酶和熱休克70 kDa蛋白的表達,但下調了木葡聚糖內糖基轉移酶/水解酶(XTH),Dirigent蛋白,類甜蛋白和類枯草桿菌蛋白酶家族蛋白的表達。編碼Dirigent蛋白,類甜蛋白和類枯草桿菌蛋白酶家族蛋白的表達在CK2中顯示出相反的趨勢(補充表S1;圖5)。這些發現表明褪黑素通過調節細胞壁基因表達影響甜瓜根的發育。
圖5 褪黑素對甜瓜中細胞壁相關基因表達的影響
CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300 μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT3,用100 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。
6. 褪黑素調節轉錄因子基因的表達以影響根的發育
轉錄因子在植物基因調控中發揮著至關重要的作用。發現銅處理與對照處理相比,有82個差異表達的轉錄因子基因,包括MYB,NAC,WRKY和AP2/ERF。另外,在銅脅迫下,褪黑素預處理的根和未預處理的根之間有5個轉錄因子基因差異表達,包括AP2/ERF,BBR/BPC,GRAS和HD-ZIP(補充表S5)。在褪黑素預處理的樣品中,AP2/ERF和BBR/BPC被顯著下調,而GRAS被顯著上調。發現了兩個顯著差異表達的HD-ZIP;一個被褪黑素上調,而另一個被下調。這些基因中的4個在CK2中顯示出相反的趨勢(圖6;補充表S5)。
圖6 褪黑素對甜瓜中轉錄因子基因表達的影響
CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300 μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT3,用100 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。
7. 褪黑素增加穀胱甘肽水平以促進銅螯合
GSH可以在銅脅迫下螯合黃瓜中的Cu2+。結果表明,穀胱甘肽在不同處理中表現出不同的水平。與CK1相比,CK2中的穀胱甘肽二硫化物水平增加了1.06倍。與CK2相比,MT3中的GSH含量增加了28%。在本研究中,使用或不使用褪黑素預處理可增加銅脅迫下甜瓜苗根中的穀胱甘肽水平(補充表S3)。
8. 褪黑素調控參與JA生物合成的基因和代謝物以促進甜瓜根發育
JA可通過抑制根細胞伸長,細胞分裂和ROS損傷來抑制植物根。脂氧合酶(LOX)是參與JA生物合成的關鍵酶。LOX的主要底物是亞油酸和亞麻酸。轉錄組和代謝組分析相結合可以更好地解釋代謝途徑的轉錄調控。作者將來自同一處理組的差異表達基因和代謝物同時映射至KEGG途徑,以闡明基因與代謝物之間的關係。在CK2和MT3之間,差異表達的基因和代謝物僅分配給亞油酸代謝(ko00591),其中包括4個脂氧合酶相關基因(MELO3C000232,MELO3C000268,MELO3C001058和MELO3C004245)和2個代謝物(亞油酸和卵磷脂),表明褪黑素可能通過刺激脂氧合酶途徑減輕銅脅迫對根的影響(補充表S6)。4個LOX相關基因被富集到亞油酸13S-脂氧合酶活性(GO:0016165),亞油酸9S-脂氧合酶活性(GO:1990136),茉莉酸生物合成過程(GO:0009695)和膜解體(GO:0030397)功能基團(補充表S1)。
在亞油酸代謝途徑中,在CK1和CK2之間,7個基因(MELO3C000268,MELO3C001058,MELO3C004245,MELO3C014629,MELO3C000232,MELO3C014632和Cucumis_melo_newGene_1656)和亞油酸水平相對於CK1被上調,而卵磷脂水平被下調(補充表S1,S3和S4)。與CK1相比,CK2中MELO3C000268,MELO3C001058,MELO3C004245,MELO3C014629,MELO3C000232,MELO3C014632和Cucumis_melo_newGene_1656的表達分別增加了4.16、15.42、2.72、1.91、9.60、2.41和8.32倍;同時,亞油酸水平上升了106%,而卵磷脂水平下降了45%。在CK2和MT3之間,相對於CK2,4個基因(MELO3C000268,MELO3C001058,MELO3C004245和MELO3C000232)和亞油酸被下調,而卵磷脂被上調(圖7;補充表S1,S3和S4)。與CK2相比,MT3中MELO3C000268,MELO3C001058,MELO3C004245和MELO3C000232的表達分別降低了69%,83%,53%和84%;同時,亞油酸水平下降了51%,卵磷脂水平上升了31%(圖7;補充表S1和S3)。這些結果表明褪黑素下調了亞油酸水平和脂氧合酶相關基因的表達,從而抑制了JA的生物合成。
圖7 褪黑素對參與甜瓜JA生物合成基因和代謝產物的影響
a,甜瓜的JA生物合成中涉及的DEG的層次聚類;b,甜瓜中亞油酸和卵磷脂的相對含量。在每種處理中,相對濃度值增加了1000倍。CK1,用水預處理,無脅迫種子;CK2,用水預處理,300 μmol/L的CuSO4脅迫種子;MT3,用100 μmol/L褪黑素預處理,300 μmol/L CuSO4脅迫種子。
褪黑素作為重要的抗氧化劑和自由基清除劑,可以維持自由基的動態平衡,並減少因脅迫而對植物造成的氧化損傷。已有研究發現褪黑素減輕了鹽脅迫引起的氧化損傷,可能是褪黑素直接增強了抗氧化酶的活性或清除了H2O2。外源性褪黑素通過增強抗氧化酶活性(即POD,SOD和CAT)並減少活性氧的產生,提高了狗牙根對乾旱,鹽和冷脅迫的抗性。與野生型水稻相比,富含褪黑素的轉基因水稻幼苗對除草劑誘導的氧化脅迫具有更強的抗性。在這本研究中,褪黑素通過調節甜瓜根中的氧化還原反應減輕了銅脅迫。
如圖1和2所示,銅脅迫降低了CAT,SOD和POD的活性;增加了MDA含量;並抑制了側根發育。總體而言,這些結果表明銅損傷了甜瓜的根系系統。同樣,銅脅迫也會造成芥菜中脂質過氧化,抗氧化酶活性和穀胱甘肽含量的變化。銅還影響根分生組織的細胞增殖,從而影響玉米根的生長,並且在過量的銅條件下,質膜,線粒體膜和內質網受到幹擾。相反,褪黑素預處理的甜瓜樣品表現出更好的側根發育;較高CAT,SOD和POD活性;以及較低的MDA含量。這些結果表明,褪黑素預處理明顯減輕了銅脅迫對甜瓜側根發育的抑制作用。因此,褪黑素在CuSO4脅迫下以濃度依賴的方式對甜瓜根的發育具有積極作用,而MT3處理可最大程度減輕銅的毒性。該實驗表明,CuSO4脅迫下甜瓜的根發育被低濃度的褪黑素促進,而被高濃度的褪黑素抑制。
作者檢測到12個與氧化還原相關的基因,在CK2和MT3處理之間存在顯著的差異表達。其中之一是在MT3處理中上調的過氧化物酶編碼基因,這反映了在根部觀察到的過氧化物酶活性。過氧化物酶幾乎存在於所有植物組織中,在根部尤為豐富;作為重要的植物酶,過氧化物酶參與許多生理過程。AtPrx33和AtPrx34是兩個高度同源的擬南芥過氧化物酶編碼基因,參與細胞伸長。AtPrx34過表達的幼苗具有明顯更長的根,而減少AtPrx33或AtPrx34表達的幼苗具有較短的根。外源褪黑素預處理上調了黃瓜根中與過氧化物酶相關的基因並增加了過氧化物酶的活性,從而促進了鹽脅迫下黃瓜植株側根的形成。在本研究中,褪黑素下調了4個LOX基因。LOX催化多不飽和脂肪酸(包括亞油酸)的氧化,並降解脂雙層和細胞膜。此外,LOX產生的超氧陰離子,過氧化物和自由基具有細胞毒性,並能夠損傷膜,蛋白質和DNA。研究人員已經在不同形式的脅迫下,包括創傷,寒冷,乾燥和鹽脅迫,檢測到多種植物中LOX轉錄水平的上調。褪黑素通過增加抗氧化酶活性,降低MDA水平和調節氧化還原基因表達來減輕氧化損傷。
在植物中,LOX參與多不飽和脂肪酸代謝,並且是參與脂質降解和JA生物合成的關鍵酶。以卵磷脂為底物的卵磷脂酶催化亞油酸的生物合成,LOX和其他酶催化亞油酸的轉化以合成JA。受到創傷時,缺少LOX2的轉基因擬南芥葉片累積的JA含量低於對照植物。JA是植物中的內源性生長調節物質,在植物生長中起著至關重要的作用,並且是參與脅迫響應的信號分子。在脅迫下,JA的積累大量增加;例如,感染了丁香假單胞菌的菸草在3–9 h內顯示出葉片中JA積累增加和13-LOX表達增加。另外,研究表明,JA抑制植物根系的生長。已有研究表明JA對擬南芥的主根生長具有抑制作用。JA通過抑制根細胞伸長,細胞分裂和ROS損傷來抑制水稻根生長。在本研究中,CK2和MT3之間的比較轉錄組和代謝分析相結合,揭示了MT3中4個LOX相關基因和亞油酸水平下調,而卵磷脂水平上調。褪黑素預處理抑制了亞油酸的生物合成並下調了LOX的表達,從而控制銅脅迫下甜瓜幼苗根部的JA含量。褪黑素通過減少對LOX的損傷和對JA的抑制作用來促進銅脅迫下甜瓜側根的發育。
細胞壁相關基因的表達與甜瓜側根形成密切相關。褪黑素調節細胞壁的形成,從而影響側根的發育。在CK2和MT3之間,6個細胞壁相關基因差異表達顯著:過氧化物酶,木葡聚糖內糖基轉移酶/水解酶(XTH),熱休克70 kDa蛋白,Dirigent蛋白,類甜蛋白和類枯草桿菌蛋白酶家族蛋白。過氧化物酶和熱休克70 kDa蛋白在MT3處理中顯著上調,而其他則顯著下調。XTH在細胞壁重塑和伸展中具有重要作用,在脅迫下XTH表達會發生變化。編碼木葡聚糖內轉葡糖基酶同源物的玉米wusl1005 [gfu]的轉錄水平在淹水脅迫下得到提高。在矮慈姑中,缺氧增加了SpXTH1和SpXTH451的表達。同樣,擬南芥根用鋁處理24 h後,XTH-5的表達水平顯著增加。根據另一項研究,有兩種XTH蛋白影響擬南芥根的生長;與對照相比,含有AtXTH14和AtXTH26的擬南芥幼苗顯示出較短且較少的根毛。本研究結果表明,褪黑素預處理顯著降低了XTH的轉錄水平。此外,銅脅迫下XTH的表達上調,XTH的過表達可能抑制甜瓜根發育。研究表明,熱休克70 kDa蛋白的活性可導致根形成大量增加。在我們的研究中,熱休克70 kDa蛋白的表達在CK2中降低,而在MT3中升高。因此,褪黑素預處理可通過下調XTH表達和上調熱休克70 kDa蛋白表達來減輕銅脅迫帶來的氧化損傷並促進甜瓜根的發育。
轉錄因子,例如激活劑,抑制劑或兩者,控制基因的表達並影響植物生長和發育的許多方面。作者發現在褪黑素預處理的樣品中,AP2/ERF和BBR/BPCs顯著下調,而GRASs顯著上調。鑑定了兩個顯著差異表達的HD-ZIP轉錄因子:一個被褪黑素上調,而另一個被下調。已有研究表明AP2/ERF參與對多種非生物脅迫的響應,包括乾旱,鹽和高溫脅迫。水稻OsDRE1F的過表達可以提高水稻和擬南芥對鹽,乾旱和低溫的耐受性。BBR/BPC與根發育有關,因此,擬南芥bpc1-1 bpc2 bpc4 bpc6bpc6四重突變體的側根和側根原基數減少,而在單基因突變體中未觀察到表型變化。結果表明,褪黑素可能減輕銅毒性並促進甜瓜根的發育,因此減少AP2/ERF和BBR/BPC轉錄因子基因的表達。SCARECROW是GRAS家族成員,在擬南芥AtSCR突變體中,根系異常發育。從慄樹分離的SCARECROW樣基因(CsSCL1)已顯示在不定根形成的初始過程中具有重要作用。在目前的研究中,褪黑素誘導的GRAS過表達可能促進甜瓜根的發育。GLABRA2(GL2)屬於IV類HD-ZIP家族,而GL2對於調節擬南芥根毛的發育是必需的。ATHB6,一種HD-ZIP基因,在滲透和水分虧缺脅迫下以及響應外源脫落酸(ABA)處理後,在擬南芥幼苗中顯著上調。與ATHB6相似,ATHB7和ATHB12在缺水條件下均被上調。在黃瓜中,高鹽條件下CsHDZI12被抑制,而低溫下CsHDZI4被抑制。在本研究中,褪黑素調節HD-ZIP相關基因的表達以促進根的生長和發育。這些結果表明,轉錄因子在褪黑素誘導的根發育中具有重要作用。
GSH以還原型穀胱甘肽和氧化型穀胱甘肽形式存在,並參與重金屬的螯合和ROS的解毒。GSH可以螯合植物中的過量金屬。在暴露於鎘的燕麥根中,發現穀胱甘肽與鎘有關。在黃瓜中,穀胱甘肽螯合過量的Cu2+並形成重金屬絡合物,然後轉運至液泡。在本研究中,發現使用和不使用褪黑素預處理均會增加銅脅迫的甜瓜根中GSH的水平。與CK1相比,CK2中的穀胱甘肽水平升高,這可能反映了甜瓜的防禦反應。褪黑素預處理進一步提高了MT3中的GSH水平,這使得甜瓜的根部發育優於CK2。
我們的結果表明褪黑素可以通過調節亞油酸代謝來促進甜瓜根發育。褪黑素降低了亞油酸水平和4個LOX相關基因的表達,從而降低了JA水平。褪黑素可通過降低LOX相關基因的表達和JA水平,調節其他氧化還原基因的表達並增加抗氧化酶的活性來降低ROS損傷。褪黑素還改變了與細胞壁形成過程有關的基因以及AP2/ERF,BBRBPC,GRAS和HD-ZIP轉錄因子家族成員的基因表達。此外,褪黑素增加了穀胱甘肽的含量,進而螯合過量的Cu2+。總之,褪黑素通過多種機制減輕了銅毒性並促進了甜瓜根的發育(圖8)。
圖8 褪黑激素減輕銅毒性的機理示意圖