舊話新提:ANR1促進菊花根系發育的分子機制

2021-02-12 園藝研究

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近日，Nature子刊Horticulture Research在線發表了山東農業大學作物國家重點實驗室胡大剛、孫翠慧團隊的研究成果「The MADS transcription factor CmANR1 positively modulates root systemdevelopment by directly regulating CmPIN2 in chrysanthemum」。該研究揭示了菊花MADS-box轉錄因子CmANR1能夠轉錄激活生長素運輸基因CmPIN2的表達，增加根系中生長素含量從而促進菊花根系發育的新機制，並培育了氮素高效利用的菊花新材料。

氮素尤其是硝態氮（NO3-）可作為信號物質對植物根系發育起到複雜而精細的調節作用。在菊花的周年栽培中存在氮肥過量施用、施用不均等問題，而ANR1基因能夠調控硝態氮分布不均勻情況下局部高NO3-區域中側根的伸長與增殖，但是，其對根系的具體調節機制還尚不確定。本團隊前期研究發現菊花轉錄因子CmANR1能夠響應較高濃度的NO3-，通過與自身及CmAGL21互作形成同源或異源二聚體而正調控擬南芥側根的發育(Chrysanthemum MADS-box transcription factor CmANR1 modulates lateralroot development via homo-/heterodimerization to influence auxin accumulationin Arabidopsis. Plant Science, 2017)。隨後，在本研究中發現，CmANR1轉基因水培菊花具有更擴展、更強壯的根系，其不定根與側根的數量及總長度、根系的總體積等與野生型菊花相比都顯著地增加，這說明CmANR1基因能夠促進菊花不定根與側根的發育。相應地，轉基因菊花地上部的生長也受到顯著的促進（圖1）。異位過表達CmANR1基因能夠促進擬南芥不定根的發育，證明了菊花CmANR1基因對不定根與側根發育的促進效應在不同物種中具有功能保守性。

圖1 ：CmANR1基因促進水培菊花不定根與側根的發育

隨後，該研究通過將野生型和CmANR1轉基因菊花根系進行轉錄組測序結合相關的分子生物學試驗，證明CmANR1作為轉錄因子能夠轉錄激活生長素極性運輸基因CmPIN2的表達，通過增加根系中生長素的含量而促進菊花不定根與側根的發育（圖2）。轉基因菊花更為強健的根系可增加其對水分和養分的吸收，從而促進地上部乃至菊花整體的生長。該團隊將CmANR1基因轉入到菊花中進行功能研究，結合轉錄組測序結果與分子生物學試驗鑑定，闡明了CmANR1基因介導的硝酸根信號途徑對植物根系發育的調控機制。

圖2：CmANR1基因調控菊花根系發育的工作模型


該研究由山東農業大學園藝學院長江學者團隊成員胡大剛老師指導完成，孫翠慧為論文第一作者，胡大剛和鄭成淑教授為共同通訊作者。相關工作得到了國家自然基金委的資助。


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