揭示根部特異表達(dá)細(xì)胞分裂素氧化酶6促進(jìn)鷹嘴豆根系發(fā)育（2020.3.24 Plant Biotechnology Journal）

豆類是發(fā)展中國(guó)家素食人口的主要蛋白質(zhì)來源。其中，鷹嘴豆是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高的豆類作物，富含不飽和脂肪酸、鷹嘴豆異黃酮、鉻、鐵、粗纖維等營(yíng)養(yǎng)元素。但由于研究的缺乏，其生長(zhǎng)習(xí)性還鮮為人知，且鷹嘴豆傳統(tǒng)生長(zhǎng)在印度、西亞和北非半干旱熱帶地區(qū)的邊緣地帶，是一種春季作物，除病害外，干旱是制約鷹嘴豆產(chǎn)量的最主要因素。豆科植物可與根瘤菌共生形成固氮根瘤，應(yīng)用該機(jī)制指導(dǎo)生產(chǎn)，通過間作制度提高土壤肥力進(jìn)而提高其他作物綜合產(chǎn)量對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)貢獻(xiàn)巨大。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂素的時(shí)空調(diào)控在根瘤結(jié)節(jié)形成過程中起著非常重要的作用，因此，研究根細(xì)胞分裂素水平的調(diào)控是否適用于豆科植物具有重要意義。

近日，Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表了印度植物基因組研究所一篇題為“Root- specific expression of chickpea cytokinin oxidase/dehydrogenase 6 leads to enhanced root growth，drought tolerance and yield without compromising nodulation”的研究論文，介紹了一個(gè)鷹嘴豆細(xì)胞分裂素氧化酶6（chickpea cytokinin oxidase 6，CaCKX6）在鷹嘴豆根特異性啟動(dòng)子CaWRKY31驅(qū)動(dòng)下，可導(dǎo)致擬南芥和鷹嘴豆的側(cè)根數(shù)量和根系生物量顯著增加，但對(duì)其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)沒有影響。轉(zhuǎn)基因鷹嘴豆株系的根中細(xì)胞分裂素氧化酶（CKX）活性增加，表現(xiàn)出較高的根莖比，提高了長(zhǎng)期耐旱性。

植物根系在發(fā)育和適應(yīng)不同的環(huán)境條件（如不均勻的水分和營(yíng)養(yǎng)分配）時(shí)具有很強(qiáng)的可塑性。植物激素，尤其是生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素在根的生長(zhǎng)發(fā)育中起著重要的作用。幼根中細(xì)胞分裂素促進(jìn)細(xì)胞分化，而生長(zhǎng)素局部激活先于側(cè)根原基的產(chǎn)生。本文中，作者基于擬南芥中的研究基礎(chǔ)，在鷹嘴豆中通過全基因組比對(duì)，鑒定到了一個(gè)與擬南芥AtCKX6同源的CaCKX6，CaCKX6基因長(zhǎng)4935bp，有5個(gè)外顯子。蛋白質(zhì)編碼序列為1665bp，編碼554個(gè)氨基酸，結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)區(qū)域具有FAD-和細(xì)胞分裂素結(jié)合域，具有細(xì)胞分裂素脫氫酶的特性。

作者對(duì)CaCKX6展開研究，發(fā)現(xiàn)CaCKX6基因在根中高量表達(dá)，亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示其定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。在擬南芥中組成型異源超表達(dá)CaCKX6表現(xiàn)為根部生長(zhǎng)健壯而芽生長(zhǎng)不良，在MS培養(yǎng)基中垂直生長(zhǎng)10天時(shí)，初生根長(zhǎng)增加1.3倍以上，側(cè)根數(shù)增加2倍以上，盆栽中培養(yǎng)10天，表現(xiàn)出較好的保土能力但嫩枝嚴(yán)重發(fā)育不良，生殖成熟期延遲，且花序高度和種子產(chǎn)量均低于野生型植株。此前研究發(fā)現(xiàn)，AtWRKY6啟動(dòng)子調(diào)控AtCKX1的根特異性表達(dá)，與AtWRKY6同源性最高的鷹嘴豆WRKY被注釋為CaWRKY31，因此作者利用該根部特異表達(dá)的啟動(dòng)子連接CaCKX6，轉(zhuǎn)化擬南芥和鷹嘴豆均發(fā)現(xiàn)在沒有任何產(chǎn)量損失的情況下增加了根的生物量。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)CaWRKY31驅(qū)動(dòng)的CaCKX6表達(dá)使T4轉(zhuǎn)基因鷹嘴豆植株根系擴(kuò)大、根系CKX活性提高、產(chǎn)量提高，而在芽中CaCKX6無特異表達(dá)且CKX活性提高未改變。轉(zhuǎn)基因鷹嘴豆株系的成熟期平均推遲15天，成熟根生物量比對(duì)照增加了1.5-2倍，總根長(zhǎng)增加了1.5-1.85倍。轉(zhuǎn)基因株系的株高變化不大，但每株系平均地上部生物量增加了20%，根冠比增加了1.7倍，轉(zhuǎn)基因株系的平均每株種子數(shù)也有15-25%的增長(zhǎng)。

隨后作者對(duì)根結(jié)瘤和固氮作用進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因鷹嘴豆根中結(jié)瘤形成頻率與對(duì)照相比沒有顯著變化。用乙炔還原法測(cè)定根瘤全根的固氮能力，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因品系產(chǎn)生等量的乙烯，表明轉(zhuǎn)基因鷹嘴豆品系中的根特異性細(xì)胞分裂素降解不影響鷹嘴豆的氮固定，種子平均蛋白質(zhì)含量與野生型相比也沒有任何顯著變化

最后，作者對(duì)轉(zhuǎn)基因植株的礦物質(zhì)含量進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鋅（27-62%）、銅（26-61%）、鐵（22-48%）、鎂（13-22%）、鉀（11-27%）和磷（5-19%）的含量較高。由于干旱是制約鷹嘴豆產(chǎn)量的最主要因素，作者對(duì)轉(zhuǎn)基因鷹嘴豆進(jìn)行干旱處理，對(duì)其長(zhǎng)期耐旱性進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)照植株的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和CO₂同化率分別下降90%、87%和83%時(shí)，轉(zhuǎn)基因植株的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和CO₂同化率分別下降了46-73%、43-73%和18-51%，由此證明了根部特異表達(dá)CaCKX6使鷹嘴豆具有了長(zhǎng)期耐旱性且不影響產(chǎn)量及根部結(jié)瘤固氮能力。

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https：//onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13378