水稻G蛋白γ亚基qPE9-1调控根系低磷胁迫应答的运作机制学术资讯

撰文 | HY（RES）

2021年7月3日，The Plant Journal在线发表了福建农林大学生命科学学院许卫锋教授团队题为“Rice G protein γ subunit qPE9-1 modulates root elongation for phosphorus uptake by involving 14-3-3 protein OsGF14b and plasma membrane H+-ATPase”的研究论文。该研究发现水稻G蛋白γ亚基qPE9-1通过影响14-3-3蛋白OsGF14b表达和质膜H+-ATPase活性来调控初生根伸长，以促进根系对磷的吸收。

研究背景

磷（P）是植物生长发育所必需的重要矿质营养素之一，磷高效作物种质培育也是当今研究的热点。包括初生根伸长在内的根系形态变化对于响应P缺乏和P吸收至关重要。近期研究发现，由α、β和γ三亚基构成的异源三聚体G蛋白参与微量营养元素的应激响应。已知该类蛋白复合物是生物体内一类重要的信号蛋白，可在活性和非活性形式之间切换，以影响质膜的信号感知与转导。水稻G蛋白γ亚基qPE9-1在植物生长和发育过程中发挥多种功能，如参与调控穗形态、穗粒数、籽粒产量以及根系生长等，且与水稻氮利用效率相关。尽管如此，目前对于qPE9-1响应水稻根系P缺乏的功能与作用机制尚不清楚。

研究结果

为研究qPE9-1是否参与低磷（LP）响应，分别对携带qPE9-1等位基因的五种水稻品系和携带qpe9-1（qPE9-1等位基因突变形式）等位基因的五种水稻品系进行基因表达和初生根长度检测，结果发现在LP条件下，携带qPE9-1等位基因的水稻品种具有更高的qPE9-1表达水平，以及较长的初生根表型。

进一步在携带qpe9-1等位基因的WYJ8水稻品种中过表达qPE9-1获得回补株系，WYJ8和回补株系在正常生长条件下的初生根长和P浓度并无明显差异，但在LP条件下，回补株系的初生根长较WYJ8显著增加，且其茎和根中的P浓度也明显高于WYJ8。与此对应的是，利用携带qPE9-1等位基因的ZH11水稻品种获得的qPE9-1 RNAi株系在LP条件下的初生根长和P浓度分别明显短于和低于ZH11（图1）。

图1. qPE9-1表达下调导致LP条件下的初生根长和P浓度降低

据报道，初生根伸长离不开质膜（PM）H+-ATPase介导的根尖质子分泌调节。因此，为解析qPE9-1是否在LP条件下影响PM H+-ATPase介导的根系伸长，对根系PM H+-ATPase活性进行检测发现，qPE9-1回补株系在正常和LP条件下的PM H+-ATPase活性均明显高于WYJ8。且与正常对照条件相比，qPE9-1回补株系在LP条件下的PM H+-ATPase活性较高，而在RNAi株系中未观察到明显活性差异。另H+外排检测发现，qPE9-1回补株系和ZH11在LP条件下的初生根长和H+外排增加。分别利用PM H+-ATPase抑制剂和激活剂处理后的检测结果证实qPE9-1影响PM H+-ATPase介导的根系伸长和P吸收。

为阐明qPE9-1的作用机制，通过互作蛋白筛选及验证发现，qPE9-1与PM H+-ATPase活性正调控因子OsGF14b（14-3-3蛋白家族成员）互作，且qPE9-1正调控OsGF14b在水稻根系的表达。遗传分析显示，OsGF14b在WYJ8中的过表达部分增加了LP条件下的初生根生长。而利用14-3-3蛋白抑制剂R18肽处理发现，qPE9-1回补株系和WYJ8在LP条件下的初生根长以及H+外排均无明显差异，ZH11和RNAi株系之间亦是如此（图2）。表明OsGF14b在qPE9-1介导的初生根生长和H+外排中发挥重要作用。此外，根鞘通常优先形成于干燥土壤中，并有利于P等营养的吸收。本研究发现在LP条件下，qPE9-1株系的根鞘重量、总P含量以及根鞘土壤有效磷浓度均明显高于qpe9-1株系。