Rice acclimation to soil flooding: Low concentrations of organic acids can trigger a barrier to radial oxygen loss in roots

水稻對土壤淹水的適應(yīng)：低濃度有機(jī)酸可觸發(fā)根系徑向氧損失屏障

來源：Plant, Cell & Environment, Volume 42, 2019, Pages 2183-2197《植物、細(xì)胞與環(huán)境》，第42卷，2019年，2183-2197頁

 

摘要：

摘要指出，水淹土壤中含有厭氧微生物產(chǎn)生的單羧酸（有機(jī)酸），這些酸可積累到植物毒性水平，并促進(jìn)濕地物種根系徑向氧損失（ROL）屏障的發(fā)展。本研究測試了低濃度有機(jī)酸（乙酸、丙酸、丁酸、己酸）可能誘導(dǎo)水稻根系ROL屏障形成的假設(shè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每種有機(jī)酸單獨(dú)均能觸發(fā)ROL屏障，但對根系伸長影響很小或沒有影響。一些與木栓質(zhì)生物合成相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄本增加。根系呼吸沒有或僅中度抑制，但超過一定濃度后呼吸呈指數(shù)下降。EC50（抑制50%呼吸的有效濃度）順序?yàn)槎∷帷⒈帷⒁宜帷⒓核帷Ｑ芯拷沂玖擞袡C(jī)酸作為環(huán)境信號觸發(fā)根系適應(yīng)性反應(yīng)的機(jī)制，有助于理解植物淹水耐受的分子調(diào)控。

 

研究目的：

研究目的是評估低濃度有機(jī)酸是否誘導(dǎo)水稻根系ROL屏障形成，并探討其分子機(jī)制。具體包括測試有機(jī)酸對ROL屏障的觸發(fā)作用、對根系生長的影響、相關(guān)基因表達(dá)變化，以及確定有機(jī)酸的毒性閾值，以區(qū)分亞毒性濃度和毒性效應(yīng)。

 

研究思路：

研究思路通過三個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行：實(shí)驗(yàn)1測量根系呼吸對有機(jī)酸濃度的劑量反應(yīng)，以確定EC50；實(shí)驗(yàn)2（主實(shí)驗(yàn)）將水稻暴露于不同濃度有機(jī)酸中4天，測量根系伸長、ROL模式、基因轉(zhuǎn)錄本豐度、根系解剖結(jié)構(gòu)等；實(shí)驗(yàn)3測試pH變化對ROL的影響，以排除酸度干擾。使用Unisense MicroResp系統(tǒng)測量O2消耗速率，鉑電極測量ROL，組織化學(xué)染色分析木栓質(zhì)和木質(zhì)素沉積，qPCR分析基因表達(dá)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 根系呼吸速率對有機(jī)酸濃度的劑量反應(yīng)：數(shù)據(jù)顯示呼吸隨濃度增加呈指數(shù)下降，EC50值確定毒性順序?yàn)槎∷幔?.22 mM）<丙酸（1.78 mM）<乙酸（2.12 mM）<己酸（2.68 mM）。研究意義在于量化有機(jī)酸的相對毒性，為區(qū)分亞毒性和毒性濃度提供基準(zhǔn)，幫助設(shè)計(jì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)來自Figure 1。

 

2. 根系伸長速率：有機(jī)酸處理4天后，乙酸對伸長無影響，丙酸（Level 2和3）、丁酸（Level 3）和己酸（Level 2和3）顯著抑制伸長。研究意義在于評估有機(jī)酸對生長的亞毒性影響，確保ROL屏障誘導(dǎo)非毒性副作用所致。數(shù)據(jù)來自Figure 2。

 

3. 徑向氧損失（ROL）沿根系分布：低濃度有機(jī)酸（Level 2）處理后，根系基部（40-60 mm處）ROL顯著降低，而根尖（5 mm處）無變化，表明ROL屏障誘導(dǎo)。研究意義在于證實(shí)有機(jī)酸作為環(huán)境信號觸發(fā)根系適應(yīng)性結(jié)構(gòu)變化，增強(qiáng)內(nèi)部通氣能力。數(shù)據(jù)來自Figure 3和Figure 4。

 

 

4. 基因轉(zhuǎn)錄本豐度：有機(jī)酸處理24小時(shí)后，木栓質(zhì)相關(guān)基因（如CYP86A11、CYP86B3、GPAT、RCN1）轉(zhuǎn)錄本在丙酸和丁酸處理中增加，木質(zhì)素相關(guān)基因（CADL、OsCCR10）在己酸處理中增加。研究意義在于揭示ROL屏障形成的分子基礎(chǔ)，顯示有機(jī)酸特異性調(diào)控基因表達(dá)。數(shù)據(jù)來自Figure 5和Figure 6。

 

 

5. 根系解剖結(jié)構(gòu)：組織化學(xué)染色顯示，有機(jī)酸處理后的根系木栓質(zhì)和木質(zhì)素沉積在皮層和外皮層無顯著變化，與對照相似。研究意義在于表明屏障誘導(dǎo)可能涉及細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，而非大規(guī)模沉積，與短期響應(yīng)一致。數(shù)據(jù)來自Figure 7和Figure 8。

 

 

6. 根系孔隙度：所有處理中根系氣體孔隙度無顯著差異。研究意義在于排除孔隙度變化對ROL影響的干擾，突出屏障結(jié)構(gòu)的作用。

7. 植物生長參數(shù)：地上部和根系干重、相對生長率在有機(jī)酸處理中無顯著變化。研究意義在于確認(rèn)低濃度有機(jī)酸不引起整體生長抑制，支持其作為特異性信號。

 

結(jié)論：

研究得出結(jié)論，低濃度有機(jī)酸（0.038-0.048 mM未解離形式）能觸發(fā)水稻根系ROL屏障誘導(dǎo)，這是一種適應(yīng)性反應(yīng)，有助于提高淹水條件下的內(nèi)部通氣和毒素防御。有機(jī)酸的毒性順序?yàn)槎∷嶙顝?qiáng)，己酸最弱。基因表達(dá)變化支持木栓質(zhì)生物合成在屏障形成中的作用，而解剖變化不明顯。結(jié)果表明有機(jī)酸是重要的環(huán)境信號，但不支持pH變化為主要觸發(fā)因素。研究為植物淹水耐受機(jī)制提供了新見解。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（具體為MicroResp系統(tǒng)）測量根系O2消耗速率（呼吸作用），具有重要研究意義。該系統(tǒng)通過高精度O2微傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測溶液中O2濃度變化，能準(zhǔn)確量化根系呼吸速率。在實(shí)驗(yàn)中，電極數(shù)據(jù)用于評估有機(jī)酸對根系代謝的直接影響（實(shí)驗(yàn)1）和長期暴露后的根系健康（實(shí)驗(yàn)2）。研究意義在于：首先，提供可靠的毒性閾值（EC50），幫助區(qū)分有機(jī)酸的亞毒性和毒性濃度，確保后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用非抑制性濃度；其次，呼吸測量驗(yàn)證了有機(jī)酸在低濃度下僅引起中度抑制，支持ROL屏障誘導(dǎo)非毒性副作用所致；最后，電極的高靈敏度允許檢測細(xì)微代謝變化，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，為理解有機(jī)酸作為環(huán)境信號的生理效應(yīng)提供了關(guān)鍵證據(jù)。