章麗麗，李光杰，陸玉芳，施衛(wèi)明*

擬南芥14-3-3蛋白GRF9調(diào)控番茄根系響應(yīng)水分脅迫的生理機(jī)制①

章麗麗1,2，李光杰1，陸玉芳1，施衛(wèi)明1*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

采用35S啟動(dòng)子控制General Regulatory Factor 9 () 在兩個(gè)轉(zhuǎn)基因番茄株系(E2，E7)中高效表達(dá)，以野生型番茄WT、轉(zhuǎn)基因番茄E2和E7三個(gè)株系為試驗(yàn)材料，在水培條件下用20% 聚乙二醇(PEG 6000)模擬干旱脅迫，探究了擬南芥14-3-3蛋白GRF9能否增強(qiáng)番茄根系響應(yīng)水分脅迫的能力。結(jié)果表明：①在干旱脅迫下，野生型番茄和轉(zhuǎn)基因番茄的根系形態(tài)指標(biāo)均受到不同程度的抑制，WT、E2和E7三個(gè)番茄材料相對(duì)總根長(zhǎng)的受抑制程度分別為43%、28%、30%，相對(duì)根表面積的受抑制程度分別為46%、33%、35%，相對(duì)根體積的受抑制程度分別為47%、32%、29%，相對(duì)根直徑的受抑制程度分別為29%、21%、22%。②在響應(yīng)干旱脅迫時(shí)，轉(zhuǎn)基因番茄根系蔗糖含量比野生型番茄高20%，根系干物質(zhì)量比野生型番茄高23%。③在干旱脅迫時(shí)，轉(zhuǎn)基因番茄根系質(zhì)膜H+-ATPase酶活性較高，具有較強(qiáng)的分泌質(zhì)子的能力，其根系泌酸量比野生型番茄高35%。因此，GRF9能夠促進(jìn)番茄根系蔗糖含量的增加和干物質(zhì)的累積、增強(qiáng)根系分泌質(zhì)子的能力，這對(duì)于轉(zhuǎn)基因番茄根系在總根長(zhǎng)以及根表面積、根體積和根直徑的生長(zhǎng)以響應(yīng)干旱脅迫的過程中具有重要作用。

番茄；；根系形態(tài)；質(zhì)子分泌；干旱脅迫

農(nóng)業(yè)是對(duì)水分需求較大的產(chǎn)業(yè)，水資源短缺是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最重要因子之一。番茄()是世界上種植面積較大的主要設(shè)施蔬菜作物和重要的經(jīng)濟(jì)作物，莖葉繁茂、蒸騰作用強(qiáng)、果實(shí)含水量達(dá)80% ~ 90%，其生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的要求較高[1-3]。因此作物對(duì)水分脅迫的反應(yīng)一直是研究的熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，植物在進(jìn)化過程中，已經(jīng)擁有一些完善的適應(yīng)水分脅迫的生物學(xué)機(jī)制[4-5]。根系是植物感知和承受環(huán)境水分脅迫的主要部位，調(diào)控根系生長(zhǎng)是植物適應(yīng)水分脅迫的其中一個(gè)重要的生理機(jī)制[6-8]。長(zhǎng)期水分虧缺，根系在大小和形態(tài)分布上會(huì)做出適應(yīng)性調(diào)整，對(duì)水分虧缺適應(yīng)性強(qiáng)的植物一般會(huì)有較發(fā)達(dá)的根系，增強(qiáng)利用地下深層的水分，滿足植株整體的需水要求[6-9]。

在擬南芥中已發(fā)現(xiàn)有15個(gè)14-3-3蛋白家族亞型，其中GRF9是擬南芥14-3-3蛋白家族中的一個(gè)成員[10-11]。GRF9能夠調(diào)控?cái)M南芥根系生長(zhǎng)，通過激活根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性以及調(diào)控地上部碳水化合物向根系運(yùn)輸?shù)姆绞酱龠M(jìn)擬南芥總根長(zhǎng)和增強(qiáng)擬南芥根系對(duì)水分脅迫的適應(yīng)能力[12-16]。但是，導(dǎo)入能否增強(qiáng)蔬菜作物番茄的根系對(duì)干旱脅迫的耐受性，尚不清楚。并且，如果轉(zhuǎn)基因的番茄根系對(duì)干旱脅迫的耐受性確實(shí)有所提高，是否根系形態(tài)參數(shù)的根表面積、根體積和根直徑均發(fā)生了相適應(yīng)的改變，目前也不清楚。

因此，本次研究通過對(duì)比過表達(dá)番茄的兩個(gè)轉(zhuǎn)基因株系E2和E7以及野生型番茄WT三個(gè)番茄材料對(duì)20% 聚乙二醇(PEG 6000)模擬水分脅迫的根系響應(yīng)過程，以探究的超量表達(dá)能否促進(jìn)番茄根系總根長(zhǎng)以及根表面積、根體積、根直徑的共同生長(zhǎng)以提高對(duì)水分脅迫的適應(yīng)性。

1 材料與方法

1.1 供試植物材料

中蔬四號(hào)番茄(L. cvZhongshu No. 4)(WT)，購自南京市金祥種業(yè)有限公司。構(gòu)建受35S 啟動(dòng)子控制的植物表達(dá)載體，通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法[17]，將基因?qū)隬T番茄，獲得轉(zhuǎn)基因番茄(E2、E7)。

選取飽滿的WT、E2和E7三個(gè)番茄材料的種子在自來水中浸泡15 min，用75% 酒精浸泡30 s，用純凈水沖洗；再用2%(/)的NaClO溶液劇烈振蕩滅菌15 ~ 20 min，用純凈水沖洗；置于(30±1) ℃培養(yǎng)箱黑暗萌發(fā)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水培試驗(yàn)：將發(fā)芽后的番茄種子轉(zhuǎn)移至帶有網(wǎng)眼的塑料托盤中，托盤置于裝有5 L 0.5 mmol/L CaCl2溶液的周轉(zhuǎn)箱中至番茄子葉展開，周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的溶液用1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液替換。于人工氣候室內(nèi)，待長(zhǎng)出一片真葉后，將番茄苗轉(zhuǎn)移至含有1 L 1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的塑料罐中(每塊植物板上5個(gè)孔，每孔1株幼苗，共5株幼苗一個(gè)塑料罐)培養(yǎng)，溶液pH為6.0，每2 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。待長(zhǎng)出2 ~ 3片真葉(共培養(yǎng)18 d)，將每個(gè)品種分成兩組，加入含20% PEG6000的1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液作為水分脅迫處理組(LW)，不含PEG6000的1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液作為對(duì)照組(CK)，處理6 d。試驗(yàn)重復(fù)3次。

植物生長(zhǎng)的人工氣候室條件為相對(duì)濕度70%，光照、溫度晝夜循環(huán)：16 h光照、25 ℃，8 h 夜晚、22 ℃，光照強(qiáng)度200 ~ 250 μmol photons/( m·s)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 DNA、RNA提取及PCR、Real-time PCR鑒定 植物DNA、RNA均提取自整株番茄幼苗，DNA采用CTAB法提取，參考王關(guān)林和方宏筠[18]的方法。PCR所用引物用Primer 5設(shè)計(jì)(F段序列為5′-AAGAGCGTGACACTTTCG-3′；R端序列為5′-CAGCAGCAGTAGTAGCAATC)，擴(kuò)增產(chǎn)物大小為474 bp。RNA提取以及Real-time PCR反應(yīng)參考Li等[19]的方法。表1中的引物均是用Primer 5 設(shè)計(jì)，選用番茄中表達(dá)較強(qiáng)的“house-keep”基因作為基因表達(dá)量的對(duì)照。

1.3.2 根系形態(tài)參數(shù)測(cè)定 用WinRHIZO根系分析儀(WinRHIZO，Regent，Canada)掃描分析總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑[21]。將正常水分培養(yǎng)(CK)下的各株系番茄根系的各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)的絕對(duì)值定義為100%，則水分脅迫(LW)下各株系番茄根系的各形態(tài)指標(biāo)變化的相對(duì)抑制率=(1–處理組各形態(tài)指標(biāo)/對(duì)照組各形態(tài)指標(biāo))×100%。

1.3.3 植物干物質(zhì)量測(cè)定 番茄植株地上部和根系分離后，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重。

1.3.4 蔗糖含量測(cè)定 稱取0.1 g植物干樣粉末，加入8 ml 80% 乙醇，80 ℃水浴30 min后取上清液0.9 ml，加入0.1 ml 2 mol/L NaOH沸水浴10 min，冷卻后加入1 ml 0.1% 間苯二酚和3 ml 10 mol/L HCl 80 ℃水浴1 h，冷卻后用紫外/可見光分光光度計(jì)進(jìn)行比色測(cè)定[22]。

表1 本次試驗(yàn)用的引物

1.3.5 根系泌酸量測(cè)定 處理6 d后的番茄幼苗培養(yǎng)6 h后的營(yíng)養(yǎng)液回收，用0.1 mmol/L NaOH滴定，根據(jù)消耗的NaOH量計(jì)算質(zhì)子分泌量[23]。

1.3.6 根系質(zhì)膜H+-ATPase酶活性測(cè)定 質(zhì)膜H+- ATPase酶的提取和質(zhì)膜H+-ATPase酶活性參考Zhang等[24]和Shen等[25]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 和SPSS 20 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 轉(zhuǎn)基因AtGRF9番茄植株的確認(rèn)及其轉(zhuǎn)錄水平的驗(yàn)證

基因的cDNA通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)方法導(dǎo)入中蔬四號(hào)番茄獲得轉(zhuǎn)基因株系[17]，通過加代獲得T2代純合系的轉(zhuǎn)基因株系E2和E7。用PCR技術(shù)鑒定轉(zhuǎn)基因植物為導(dǎo)入的番茄，結(jié)果如圖1A所示，轉(zhuǎn)基因番茄植株的基因組中含有基因片段。此外Real-time PCR可以檢測(cè)是否在轉(zhuǎn)基因番茄中正常表達(dá)。本研究將培養(yǎng)18 d的番茄苗液氮冷凍、研磨、提取RNA后，用Primer 5設(shè)計(jì)的閱讀框的一對(duì)引物F: TGGGTTCTGG-AAAA-GAGCGTGACACT；R:CGAGAAGATCCTCCA-CGAAGCTCTCC 對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行鑒定，如圖1B所示，擬南芥基因沒有在野生型番茄WT中表達(dá)，但同時(shí)在E2和E7兩個(gè)轉(zhuǎn)基因番茄品種中有高效表達(dá)量，說明能夠在番茄中表達(dá)。

2.2 水分脅迫對(duì)番茄根系形態(tài)的影響

如圖2所示，水分脅迫處理6 d后，番茄根系總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑的生長(zhǎng)均受到了不同程度的抑制，但轉(zhuǎn)基因番茄兩個(gè)株系的抑制程度明顯低于野生型番茄，WT、E2和E7三個(gè)番茄材料總根長(zhǎng)的相對(duì)抑制率分別為43%、28%、30%，根表面積的相對(duì)抑制率分別為46%、33%、35%，根體積的相對(duì)抑制率分別為47%、32%、29%；根直徑的相對(duì)抑制率分別為29%、21%、22%?？梢?，基因在維持轉(zhuǎn)基因番茄響應(yīng)干旱脅迫下的根系大小和形態(tài)指標(biāo)上具有重要作用。

(*表示同一處理不同株系番茄根系間差異達(dá)P<0.05顯著水平，n=9)

2.3 水分脅迫對(duì)番茄地上部和根系干物質(zhì)量及蔗糖含量的影響

在模擬干旱脅迫條件下，各株系番茄地上部和根系的生長(zhǎng)均受到了一定程度的抑制。從圖3A和圖3B中可以看出，野生型番茄受水分脅迫影響較為嚴(yán)重，地上部干物質(zhì)量下降了34%，根系干物質(zhì)量下降了27%；而轉(zhuǎn)基因番茄地上部干物質(zhì)量?jī)H下降19%，根系干物質(zhì)量?jī)H下降14%。

(柱圖上方不同小寫字母表示處理間差異達(dá)P<0.05顯著水平(n=9)，下同)

進(jìn)一步比較WT、E2和E7番茄根系蔗糖含量以及根系和地上部蔗糖含量的比值(圖3C和3D)，轉(zhuǎn)基因番茄在水分脅迫下其根系蔗糖含量相比野生型顯著高出約20%，同時(shí)轉(zhuǎn)基因番茄根系和地上部蔗糖含量比值在水分脅迫下上升了10%，而野生型卻下降了7%，但3個(gè)株系地上部蔗糖含量無顯著差異。這些結(jié)果說明，GRF9能夠促進(jìn)番茄根系蔗糖含量的增加、干物質(zhì)的積累。

2.4 水分脅迫對(duì)番茄根系泌酸量和質(zhì)膜H+-ATP酶活性的影響

圖4A和4B顯示，在模擬干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因番茄根系質(zhì)子泌酸量和根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性受水分脅迫的抑制程度較小，分別抑制了18% 和20%，而野生型番茄受到較為嚴(yán)重的抑制，分別抑制了33% 和30%。轉(zhuǎn)基因番茄的泌酸量和質(zhì)膜H+-ATP酶活性分別比野生型高33% 和27%。說明GRF9能夠促進(jìn)番茄根系質(zhì)子分泌，維持根系較好地生長(zhǎng)以提高對(duì)水分脅迫的耐受性。

圖4 水分脅迫下各株系番茄根系的泌酸量和質(zhì)膜H+-ATP酶的活性

3 討論

番茄是世界上種植面積較大的主要設(shè)施蔬菜和重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是我國(guó)主要的設(shè)施蔬菜之一，尤其在新疆等地加工番茄也形成區(qū)域化布局、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[26-27]。番茄生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的要求較高[1-3]。然而，我國(guó)水資源匱乏，約一半的國(guó)土面積為干旱和半干旱地區(qū)[27-28]。由于水分短缺造成的干旱，嚴(yán)重影響了植物的生長(zhǎng)發(fā)育，造成作物減產(chǎn)[29-30]，因此，提高以番茄為代表的作物的抗旱能力成為現(xiàn)代植物育種工作急需解決的關(guān)鍵問題。根系是植物重要的組成部分，是植物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，能夠最先感知植物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境變化[8,14,31-33]。研究認(rèn)為，對(duì)干旱敏感的作物，其根系生長(zhǎng)受抑制程度會(huì)比耐干旱品種明顯，抗旱品種具有較為發(fā)達(dá)的根系，因而在篩選作物耐旱品種時(shí)，常常把干旱脅迫下作物根總長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑這些根系形態(tài)指標(biāo)的變化作為選種的參考依據(jù)[2,8,33-35]。雖然擬南芥過表達(dá)株系的總根長(zhǎng)在10% PEG8000 模擬的干旱脅迫下，相比野生型擬南芥、擬南芥突變體而言，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生長(zhǎng)能力[12]；但目前并不清楚該基因是否可以在模式蔬菜番茄中起作用，同時(shí)也不清楚GRF9是否能夠使根系形態(tài)方面的根表面積、根體積和根直徑也發(fā)生適應(yīng)性的變化以滿足植物對(duì)水分的需求。在本研究中，正常水分培養(yǎng)(CK)下，3個(gè)株系(WT、E2、E7)總根長(zhǎng)的絕對(duì)值分別為528、497、504 cm，根表面積絕對(duì)值分別為36.2、33.7、34.1 cm2，根體積絕對(duì)值分別為0.213、0.188、0.183 cm3，根直徑絕對(duì)值分別為0.257、0.250、0.248 mm。圖2結(jié)果表明，20% PEG6000模擬的干旱脅迫處理6 d后，轉(zhuǎn)基因番茄的兩個(gè)株系(E2、E7)不僅總根長(zhǎng)的生長(zhǎng)能力大于野生型，而且根系的根表面積、根體積和根直徑的生長(zhǎng)受抑制程度也明顯比野生型番茄小。說明GRF9減緩了干旱脅迫對(duì)番茄根系在總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑生長(zhǎng)的抑制作用。相比野生型番茄，轉(zhuǎn)基因番茄根系的總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑在響應(yīng)水分脅迫的生長(zhǎng)中更有優(yōu)勢(shì)。

植物為了促進(jìn)根系生長(zhǎng)，會(huì)適當(dāng)減弱地上部的生長(zhǎng)將光合作用產(chǎn)生的碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)到根系作為補(bǔ)償來適應(yīng)干旱脅迫[14,36]。研究認(rèn)為14-3-3蛋白通過與其他互作蛋白相互作用參與植物中很多的新陳代謝過程，調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高植物適應(yīng)環(huán)境脅迫的能力[15,37]。利用轉(zhuǎn)反義技術(shù)減少14-3-3蛋白和在擬南芥中表達(dá)，致使擬南芥葉片中的淀粉累積增加，而蔗糖含量減少[38]。14-3-3蛋白對(duì)蔗糖磷酸合成酶的調(diào)控，使得植物偏向于將地上部光合作用產(chǎn)生的碳水化合物通過韌皮部向下運(yùn)輸給根系，為根系在干旱脅迫下的生長(zhǎng)提供能源物質(zhì)，有助于植物根系擴(kuò)大吸收面積，吸收更多的水分適應(yīng)干旱脅迫的環(huán)境[12,32,36,39-40]。圖3A和3B中，野生型和轉(zhuǎn)基因番茄的地上部和根系干物質(zhì)量均受到了水分脅迫的影響，但轉(zhuǎn)基因番茄的根系干物質(zhì)量依然高于野生型番茄。通過進(jìn)一步研究不同處理下各株系番茄地上部和根系蔗糖含量的變化，結(jié)果顯示(圖3C和3D)，GRF9增加了番茄根系蔗糖含量，使得根系蔗糖含量占比地上部蔗糖含量高于正常水分培養(yǎng)下的番茄。本研究推測(cè)，GRF9可能像在擬南芥中一樣，參與調(diào)控番茄地上部光合作用產(chǎn)物向根系運(yùn)輸，為根系響應(yīng)水分脅迫的生長(zhǎng)提供能源物質(zhì)[12,15]。

另外，植物細(xì)胞酸化生長(zhǎng)學(xué)說認(rèn)為細(xì)胞的伸長(zhǎng)是由質(zhì)子酸化引起細(xì)胞壁疏松而誘發(fā)的，而植物根系的生長(zhǎng)需要依賴于根系細(xì)胞的伸長(zhǎng)[41]。植物中的14-3-3蛋白通過與質(zhì)膜H+-ATP酶自抑制區(qū)的結(jié)合建立一個(gè)高活性不穩(wěn)定的ATPase:14-3-3蛋白復(fù)合體，以激活質(zhì)膜H+-ATP酶的活性，質(zhì)膜H+-ATP酶轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子促使根系能夠向細(xì)胞外分泌更多的質(zhì)子，參與根系生長(zhǎng)[42]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GRF9能夠提高番茄根系質(zhì)膜H+-ATP酶的活性，尤其是在水分脅迫下，其活性比同一處理下的野生型番茄高25%。因而，干旱脅迫下的轉(zhuǎn)基因番茄相比野生型番茄根系有較強(qiáng)的分泌質(zhì)子的能力，轉(zhuǎn)基因番茄根系泌酸量高出野生型33%(圖4A和4B)，有利于轉(zhuǎn)基因番茄根系的伸長(zhǎng)。

4 結(jié)論

擬南芥14-3-3蛋白GRF9如同在擬南芥中一樣，通過影響番茄根系的蔗糖含量以及調(diào)控根系質(zhì)膜H+-ATP酶活性，使得轉(zhuǎn)基因番茄根系的生長(zhǎng)能力顯著高于野生型。另外，GRF9也通過促進(jìn)根系的總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根直徑，提高番茄植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力。作為模式蔬菜的抗旱品種，該轉(zhuǎn)基因番茄在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用值得后續(xù)進(jìn)一步探討。但干旱對(duì)植物形態(tài)和生理指標(biāo)的影響很復(fù)雜，GRF9能否通過其他途徑提高番茄對(duì)干旱脅迫的抗性還需要進(jìn)一步研究。

[1] Mu L, Fang L. Changes in tomato fruit quality and antioxidant enzyme activities under deficit irrigation and fertilizer application in a solar greenhouse in northwest China[J]. Communications in Soil Science & Plant Analysis, 2016, 47(10): 1329–1341.

[2] 劉朝霞, 余焰文, 陳艷秋, 等. 水分脅迫對(duì)苗期番茄葉片保護(hù)酶活性和植株形態(tài)的影響[J]. 北方園藝, 2015(23): 1–5.

[3] Nuruddin M M, Madramootoo C A, Dodds G T. Effects of water stress at different growth stages on greenhouse tomato yield and quality[J]. Hortscience, 2003, 38(7): 1389–1393.

[4] Neumann P M. Coping mechanisms for crop plants in drought-prone environments[J]. Annals of Botany, 2008, 101(7): 901–907.

[5] Davies W J, Zhang J. Root signals and the regulation of growth and development of plants in drying soil[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 1991, 42: 55–76.

[6] 沈融, 章建新, 古麗娜, 等. 虧缺灌溉對(duì)大豆根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分積累及產(chǎn)量的影響[J]. 大豆科學(xué), 2011, 30(1): 62– 66.

[7] Kato Y, Okami M. Root growth dynamics and stomatal behaviour of rice (L.) grown under aerobic and flooded conditions[J]. Field Crops Research, 2010, 117(1): 9–17.

[8] 高世斌, 馮質(zhì)雷, 李晚忱, 等. 干旱脅迫下玉米根系性狀和產(chǎn)量的QTLs分析[J]. 作物學(xué)報(bào), 2005, 31(6): 718– 722.

[9] 唐文幫, 鄧化冰, 肖應(yīng)輝, 等. 兩系雜交水稻C兩優(yōu)系列組合的高產(chǎn)根系特征[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 43(14): 2859–2868.

[10] Mayfield J D, Folta K M, Paul A L, et al. The 14-3-3 proteins μ and υ influence transition to flowering and early phytochrome response[J]. Plant Physiology, 2007, 145(4): 1692–1702.

[11] Roberts M R. 14-3-3 proteins find new partners in plant cell signaling[J]. Trends in Plant Science, 2003, 8(5): 218–223.

[12] He Y C, Wu J J, Lv B, et al. Involvement of 14-3-3 protein GRF9 in root growth and response under polyethylene glycol-induced water stress[J]. Journal of Experimental Botany, 2015, 66(8): 2271–2281.

[13] Mayfield J D, Paul A L, Ferl R J. The 14-3-3 proteins of Arabidopsis regulate root growth and chloroplast development as components of the photosensory system[J]. Journal of Experimental Botany, 2012, 63(8): 3061–3070.

[14] Gowda V R P, Henry A, Yamauchi A, et al. Root biology and genetic improvement for drought avoidance in rice[J]. Field Crops Research, 2011, 122(1): 1–13.

[15] Comparot S, Lingiah G, Martin T. Function and specificity of 14-3-3 proteins in the regulation of carbohydrate and nitrogen metabolism[J]. Journal of Experimental Botany, 2003, 54(382): 595–604.

[16] Palmgren M G. Plant plasma membrane H+-ATPases: Powerhouses for nutrient uptake[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 2001, 52: 817–845.

[17] Gao N, Shen W S, Cao Y, et al. Influence of bacterial density during preculture on Agrobacterium-mediated transformation of tomato[J]. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 2009, 98(3): 321–330.

[18] 王關(guān)林, 方宏筠. 植物基因工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[19] Li G J, Xu W F, Kronzucker H J, et al. Ethylene is critical to the maintenance of primary root growth and Fe homeostasis under Fe stress in Arabidopsis[J]. Journal of Experimental Botany, 2015, 66(7): 2041–2054.

[20] Gao N, Su Y H, Min J, et al. Transgenic tomato overexpressing ath-miR399d has enhanced phosphorus accumulation through increased acid phosphatase and proton secretion as well as phosphate transporters[J]. Plant and Soil, 2010, 334:123–136.

[21] 孫志國(guó), 劉冉, 吳昊, 等. 保水緩釋肥對(duì)鹽脅迫下水稻生長(zhǎng)和光合特性的調(diào)控[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2016, 53(3): 757– 767.

[22] Stitt M, Lilley R M, Gerhardt R, et al. Metabolite levels in specific cells and subcellular compartments of plant- leaves[J]. Methods in Enzymology, 1989, 174: 518–552.

[23] Du J Y, Xie J, Yue L X. Modulation of TRPM2 by acidic pH and the underlying mechanisms for pH sensitivity[J]. Journal of General Physiology, 2009, 134(6): 471–88.

[24] Zhang R, Liu G, Wu N, et al. Adaptation of plasma membrane H+-ATPase and H+pump to P deficiency in rice roots[J]. Plant and Soil, 2011, 349(1/2): 3–11.

[25] Shen H, Chen J, Wang Z, et al. Root plasma membrane H+-ATPase is involved in the adaptation of soybean to phosphorus starvation[J]. Journal of Experimental Botany, 2006, 57(6): 1353–1362.

[26] 康亞龍, 景峰, 孫文慶, 等. 加工番茄連作對(duì)土壤理化性狀及微生物量的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2016, 53(2): 533–542.

[27] 孟超然, 顏林, 張書捷, 等. 干旱區(qū)長(zhǎng)期膜下滴灌農(nóng)田耕層土壤鹽分變化[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2017, 54(6): 1386–1394.

[28] 關(guān)中美, 郝成元. 我國(guó)干旱半干旱地區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)及其退化成因[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(jì), 2013(9): 158–162.

[29] 武慧平, 朱銘強(qiáng), 張盼盼, 等. 土壤含水量對(duì)溫室櫻桃番茄生長(zhǎng)發(fā)育及果實(shí)品質(zhì)的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2012, 30(4): 32–36.

[30] 侯建偉, 段玉, 張君, 等. 內(nèi)蒙古陰山北麓旱農(nóng)區(qū)馬鈴薯間作模式的生產(chǎn)力與水分利用[J]. 土壤, 2018, 50(1): 79–85.

[31] 李文嬈, 張歲岐, 丁圣彥, 等. 干旱脅迫下紫花苜蓿根系形態(tài)變化及與水分利用的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(19): 5140–5150.

[32] Baluska F, Mancuso S, Volkmann D, et al. Root apex transition zone: a signaling-response nexus in the root[J]. Trends in Plant Science, 2010, 15(7): 402–408.

[33] 于建光, 吳一凡, 賀笑, 等.不同條件育秧提高水稻秧苗抗逆性的研究[J]. 土壤, 2017, 49(2): 289–294.

[34] 降云峰, 馬宏斌, 劉永忠, 等. 玉米抗旱性鑒定指標(biāo)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(7): 800–803.

[35] 馬廷臣, 余蓉蓉, 陳榮軍, 等. PEG-6000模擬干旱對(duì)水稻幼苗期根系的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 18(6): 1206–1211.

[36] Sharp R E, Poroyko V, Hejlek L G, et al. Root growth maintenance during water deficits: physiology to functional genomics[J]. Journal of Experimental Botany, 2004, 55(407): 2343–2351.

[37] Roberts M R, Salinas J, Collinge D B. 14-3-3 proteins and the response to abiotic and biotic stress[J]. Plant Molecular Biology, 2002, 50(6): 1031–1039.

[38] Schenk H J, Jackson R B. Rooting depths, lateral root spreads and below- ground/ above- ground allometries of plants in water- limited ecosystems[J]. Journal of Ecology, 2002, 90(3): 480–494.

[39] Petricka J J, Winter C M, Benfey P N. Control of Arabidopsisroot development. Annual Review of Plant Biology, 2012, 63(1): 563–590.

[40] Cotelle V, Meek S E M, Provan F, et al. 14-3-3s regulate global cleavage of their diverse binding partners in sugar-starved Arabidopsis cells[J]. The Embo Journal, 2000, 19(12): 2869–2876.

[41] Rayle D L, Cleland R E. The Acid Growth Theory of auxin-induced cell elongation is alive and well[J]. Plant Physiology, 1992, 99(4): 1271–1274.

[42] Borch J, Bych K, Roepstorff P, et al. Phosphorylation- independent interaction between 14-3-3 protein and the plant plasma membrane H+-ATPase[J]. Biochemical Society Transactions, 2002, 30(4): 411–415.

Involvement of Arabidopsis GRF9 in Tomato Root Growth and Response Under Polyethylene Glycol Induced Water Stress

ZHANG Lili1,2, LI Guangjie1, LU Yufang1, SHI Weiming1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to improve water stress tolerance of tomato () plants, an expression vector containing an arabidopsis 14-3-3 protein,General Regulatory Factor 9 () cDNA driven by a cauliflower mosaic virus 35S promoter was transferred into tomato plants. Tomato wild-type (WT), two lines of GRF9-overexpressing tomato plants (E2, E7) were treated with 20% polyethylene glycol (PEG6000) to induce water stress under hydroponic culture conditions. Results showed: 1) The degree of water stress tolerance of transgenic tomato plants was found to be significantly greater than that of wild-type tomato plants as measured by root architecture development. The relative inhibition ratio-s of total root length of three lines tomato plants (WT, E2, E7) were 43%, 28% and 30%, respectively; the relative inhibition ratio of root surface area of three lines tomato plants (WT, E2, E7) were 46%, 33% and 35%, respectively; the relative inhibition ratio of root volume of three lines tomato plants (WT, E2, E7) were 47%, 32% and 29%, respectively; the relative inhibition ratio of root diameter of three lines tomato plants (WT, E2, E7) were 29%, 21% and 22%, respectively. 2) GRF9 favored the accumulation of sucrose in transgenic tomato (E2, E7) roots, and the root dry weight was 23% higher than that of WT. 3) In addition, GRF9 enhanced the activity of plasma membrane H+-ATPase in transgenic tomato (E2，E7) roots, and the root proton secretion was 35% higher than that of WT. Taken together, all the results indicated that under PEG-induced water stress, GRF9 is involved in enhancing proton secretion and accumulating more sucrose in the root to guarantee greater root architecture development on total root length, root surfaces area, root volume and root diameter. Therefore, Arabidopsis GRF9 plays an important role for tomato plants response to water stress.

;; Root architecture; Proton secretion; Water stress

Q945.12

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.01.011

章麗麗, 李光杰, 陸玉芳, 等. 擬南芥14-3-3蛋白GRF9調(diào)控番茄根系響應(yīng)水分脅迫的生理機(jī)制. 土壤, 2020, 52(1): 74–80.

江蘇省青年基金項(xiàng)目(BK20151053) 和中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)目(ISSASIP1604)資助。

章麗麗(1989—)，女，浙江紹興人，博士研究生，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)生理生化與分子遺傳方面的研究。E-mail：llzhang@issas.ac.cn