棉根是棉酚生物合成和積累的主要來源

2021-01-20 生命科學前沿iBiology


棉酚是棉屬植物特有的次生代謝物，它不僅對棉花的生長發育和自我保護具有重要作用，而且還可作為重要的抗腫瘤和男性避孕藥。然而，棉酚對人和單胃動物具有毒性，棉籽的食用受到限制。到目前為止，對棉酚在棉花植株中的代謝情況知之甚少。


在本研究中，作者發現子葉是種子萌發階段棉酚的主要來源。但此後，它主要來源於根系。研究結果表明，棉酚主要在棉花根系中合成，有腺體和無腺體棉花的棉根均具有棉酚的生物合成能力。而棉酚的主要貯藏部位色素腺體對棉酚的生物合成有間接影響。對根和無根幼苗的離體培養證實，幼苗根系的棉酚生物合成能力強，其他器官的棉酚生物合成能力較弱。參與棉酚生物合成途徑的關鍵基因的表達譜也支持了根是棉酚生物合成的主要器官。


本研究表明，無論是有腺體棉還是無腺體棉，棉花根系都是棉酚的主要來源，而其他器官合成棉酚的能力相對較弱。棉酚的生物合成與色素腺的表達沒有直接關係，但色素腺的存在對棉酚的積累至關重要。這些發現不僅可以闡明棉酚代謝的複雜調控網絡，而且可以加快作物的育種進程，提高其商業價值。


為了研究無腺體棉和有腺體棉幼苗器官中棉酚的變化，作者在溫室中種植了兩對近等基因系(NILs): CCRI17 (有腺體)與CCRI17W(無腺體)和Coker 312 (有腺體)與Coker 312 W(無腺體)。對其幼苗在不同育苗時期根、子葉和葉片中的棉酚含量進行了分析。

圖1  CCRI17、CCRI17W、Coker 312和Coker 312 W種子萌發階段組織中棉酚含量的動態變化，

子葉變平，幼苗長有一、二、三真葉。在種子萌發和子葉平展階段未採集葉片樣本。每個樣本進行三次生物重複。


為了研究根系對棉酚生物合成的影響，採用不同組合的接穗(有腺棉或無腺棉)和砧木(有腺棉、無腺棉或向日葵)進行嫁接.

圖2  正常植物和嫁接植物棉籽中(±)-棉酚含量。

黑色條表示正常植物棉籽中的棉酚含量，白色條表示同品種接穗和砧木嫁接植物棉籽中的棉酚含量，灰色條表示不同品種接穗和砧木嫁接植物棉籽中的棉酚含量。嫁接組合的前一個名稱為砧木品種名，後一個名稱為接穗品種名。每個樣本進行三次生物重複。*表示差異顯著，P< 0.05


為了進一步研究棉花根系合成棉酚的能力，作者將有腺體棉接穗TM-1嫁接在無法合成棉酚的向日葵砧木上，還分析了接穗葉片（±）棉酚含量的動態變化。

圖3  向日葵砧木嫁接TM-1接穗葉片(±)棉酚含量的動態變化

a 沒有再生根的TM-1接穗葉片棉酚含量的變化。b TM-1再生根接穗葉片中b棉酚含量。每個樣本進行三次生物重複。不同字母表示在不同時間有顯著差異，P< 0.05


研究表明，棉酚主要在有腺體和無腺體的棉花植株的根系中合成，其他器官合成棉酚的能力相對較弱。棉酚的生物合成與色素腺的表達沒有直接關係，但色素腺的存在對棉酚的積累至關重要。棉根中產生的棉酚主要是外消旋的，其他器官合成的是具有旋光活性的棉酚。這些發現不僅揭示了棉酚代謝的複雜調控網絡，而且還將加快培育具有更高商業價值的棉花的進程。


浙江大學祝水金為該論文的通訊作者，研究經費由國家重點技術研發計劃中國農業研究體系、江蘇省現代作物生產協同創新中心和USDA-ARS 3091-21000-044-00D資助。


文章連結：

http://bmcplantbiol.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/s12870-020-2294-9

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