用户文章 玫瑰的弯曲花梗现象中生长素，赤霉素和细胞分裂素相互作用的分子机制研究

Molecular Evidences for the Interactions of Auxin,Gibberellin, and Cytokinin in Bent Peduncle Phenomenon in Rose (Rosa sp.)

玫瑰的弯曲花梗现象中生长素，赤霉素和细胞分裂素相互作用的分子机制研究

期刊：International Journal of Molecular Sciences

发表时间：2020年

研究单位：中国农业大学观赏园艺学系

技术手段：转录组测序

背景

2020年2月18日中国农业大学观赏园艺学系在International Journal of Molecular Sciences在线发表了题为“Molecular Evidences for the Interactions of Auxin, Gibberellin, and Cytokinin in Bent Peduncle Phenomenon in Rose (Rosa sp.) ”的研究论文。该研究揭示了花卉中常见的弯曲花梗现象（BPP）发生的生理及分子机制。

对于花卉来讲，花梗形态是其重要的装饰特征，弯曲花梗现象（BPP:bent peduncle phenomenon）严重降低了花朵的质量，从而降低了商业价值。目前对弯曲花梗现象（BPP）分子机制了解甚少，因此作者重点分析了弯曲的玫瑰花梗的转录特征和细胞结构。该研究发现生长素，细胞分裂素和赤霉素信号传导途径中涉及的许多差异表达基因均与弯曲的花序梗相关。石蜡切片显示弯曲的花序梗上侧的细胞数量增加，而下花序侧的细胞数量大于正常花序梗。该研究还揭示通常条件下伴随BPP出现的大型变形萼片，发现这些萼片中某些生长素应答基因的表达水平增加，而细胞分裂素和赤霉素合成相关基因的表达水平下降。此外，去除变形的萼片可部分缓解BPP，为了有效减少玫瑰中的BPP，除生长素外还需要更多地致力于赤霉素和细胞分裂素的分子调控。

研究思路

材料：6个品种‘Peach Avalanche’, ‘Awakening’, ‘Jinhui’, ‘Carola’, ‘Chanel’, and ‘Ocean Song’；（BPP现象调研）

正常的花梗（芽的直径约为1cm时，芽下方约0.5cm处沿中心轴将其分开）为N组（三个生物学重复，转录组）；

弯曲的花梗（芽的直径约为1cm时，芽下方约0.5cm处沿中心轴将其分开）分为两组，B_upper和B_lower组（三个生物学重复，转录组）；

      变形萼片（B_lower-sepal，qRT-PCR）

      正常萼片（B_upper-sepal，qRT-PCR）

研究结果

1. 表型调查

玫瑰的BP的特征是在发育期间弯曲和增加花序梗的直径，并伴有增大的萼片（图1）。在所有品种中，BP均是在夏季和秋季高发。六个品种之间的BP也存在显著差异，其中‘Peach Avalanche’, ‘Awakening’,最容易出现BP，在夏季的发病率分别高达21%和25%（图1D）。

图1 （A）正常花梗（NP）和弯曲花梗（BP）的表型；（B）NP和BP在水平方向上的夹角。（C）NP和BP直径的统计数据；（D）6种玫瑰品种的BP百分比：1.‘Peach Avalanche’,2.‘Awakening’, 3.‘Jinhui’, 4.‘Carola’, 5.‘Chanel’, and 6.‘Ocean Song’

石蜡切片结果显示BP的横截面显示B_lower的细胞大于B_upper的细胞，而N1和N2的细胞之间没有明显差异（图2A，B）。此外，B_lower的细胞数明显少于B_upper的细胞数（图2C）。后续研究比较了在B_lower和B_upper之间（以N1和N2作为对照）相同长度的纵向截面中不同类型细胞的数量。BP两侧的（而非NP）的韧皮部和木质部前细胞数量存在显着差异，而皮层实质细胞数量差异并不明显（图2D–F）。这些结果表明，BP是由花梗中心轴两侧的细胞大小和数量不对称引起的。

图2. （A–C）花梗两侧的横截面（A）及其各自NP和BP中的细胞大小（B）和细胞数（C）。（D–F）花梗两侧的纵向截面（D）和NP和BP中它们各自的细胞数（E）和细胞长度（F）。1和1'是指薄壁细胞

从两侧来看，2和2'指的是来自两侧的原发韧皮细胞，而3和3'是指来自两侧的原木质部细胞。

2. 转录组结果分析-GO、KEGG功能富集分析

对B_upper、B_lower和N的三组样本进行转录组测序分析，得到总计4795个差异基因。这些差异基因在“质膜”，“蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶活性”，“蛋白磷酸化”，“信号转导”，“细胞壁”，“生长素激活信号通路”，“一维细胞生长”，“细胞表面受体信号传导”通路”，“对赤霉素的反应”和“细胞分裂素激活的信号通路”等24个GO term得到显著富集；在“植物-病原体相互作用”，“淀粉和蔗糖代谢”和“植物激素信号转导”等21个KEGG通路显著富集。其中与激素调控相关的差异基因有91个。

图4. NP和BP之间的DEG数以及相应的GO和KEGG富集数据。（A）三个比较组的差异表达的上下调基因数量；（B）A中数据的维恩图；（C）DEG的GO功能富集分析；（D）DEG的KEGG通路富集分析

3. 植物激素生长素，细胞分裂素和赤霉素参与了BPP

该研究使用实时定量RT-PCR评估生长素信号传导中涉及的基因的表达。生长素信号通路中的关键受体RhTIR1的表达在BPs的上侧（B_upper）较下侧（B_lower）下调，而RhTIR1的表达水平在NP的两侧（N1和N2）之间无显着差异（图5）。RhTMK1（受体样跨膜激酶1）表达在BPs的上侧低于在BPs的下侧（图5）。其他六个生长素应答基因的表达（RhIAA4-like，RhIAA5，RhIAA6，RhIAA32，RhARF2和RhARF7）也显示出相同的趋势（图5）。此外，生长素运输标记基因RhABCB1，RhABCB19和RhPIN3的表达在BP的上侧显着降低（图5）。这些结果表明，与下侧相比，BPs上部的生长素信号转导是无效的。

图5. BP中生长素相关基因的qRT-PCR结果。基因包括那些编码生长素受体的基因（RhTIR1，RhTMK1），生长素应答因子（类RhIAA4，RhIAA5，RhIAA6，RhIAA32），生长素转运蛋白（RhPIN3，RhABCB1，RhABCB19，RhABP1）和生长素调节因子（RhARF2，RhARF7）

研究还比较了BP两侧细胞分裂素和GA相关基因的表达。RhARR3和RhARR8细胞分裂素快速诱导的两个A型应答调节子在BP的上侧比下侧有明显增高（图6）。此外，与GA生物合成有关的两个基因RhGA20-ox和RhGA2-ox在上侧比下侧也有更高的表达。这些结果表明，BP上下两侧有着细胞分裂素和赤霉素参与响应。

图6. BP中细胞分裂素和赤霉素相关基因的qRT-PCR。（A）细胞分裂素反应基因RhARR3和RhARR8。（B）与赤霉素合成相关的基因RhGA20-ox和RhGA2-ox。

4.增大、变形的萼片对BPP的影响

玫瑰的BP总是伴有增大的变形萼片。为了探讨变形的萼片是否与BP相关，我们分析了变形的（BPP）和正常的萼片中生长素，细胞分裂素和赤霉素信号通路中基因的表达。生长素生物合成相关基因RhTAR2和生长素应答基因RhGH3的表达在变形的萼片中均显着上调（图7A）。在变形的萼片中，RhCKX1（编码催化细胞分裂素降解的一种蛋白质）的转录水平显著上调，而另一种细胞分裂素合成的正调节剂RhT5L1的表达水平则较低（图7B）。此外，赤霉素合成过程中涉及的两个基因RhGA20-ox和RhGA2-ox在变形萼片中表达水平降低（图7C）。这些结果表明，与正常萼片相比变形萼片中生长素、细胞分裂素和赤霉素的信号转导不协调。接下来该研究去除了变形的萼片，发现这种处理在以后的生长期稍微降低了花梗的弯曲度（图7D，E）。由此推测变形的萼片的激素反应部分影响了花梗对激素的反应，导致花梗两侧的细胞分裂和膨胀不均等，最终形成BPP。

图7.生长素，细胞分裂素和赤霉素相关基因在变形萼片中的表达通过qRT-PCR测定。（A）生长素应答基因RhTAR2和RhGH3。（B）细胞分裂素反应基因RhCKX1和RhT5L1。（C）赤霉素相关基因RhGA20-ox和RhGA14-like。（D）BP表型去除变形的萼片后3天。（E）去除变形的萼片3天后花梗的弯曲角度的统计数据

小结

该研究探明弯曲花梗现象BPP的产生受生长素、细胞分裂素和赤霉素的共同做用的影响，并且增大和变形的萼片的激素情况也会影响下游花梗对激素的相应，间接的促进BPP现象的产生。

该文章由联川北京二区区域经理侯朝解读

侯朝，北京二区区域经理，负责北京和天津的市场开拓和维护，联川生物销售部专业型销售代表人之一。个人愿景：希望能用我的热心、诚恳、踏实和专业，配合老师测序实验顺利进行，文章早日online。

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