2022年7月24日，New Phytologist在线发表了浙江大学水稻生物学国家重点实验室舒庆尧教授课题组和国外合作者题为“An ABA-serotonin module regulates root suberization and salinity tolerance”的研究论文。文章报道了ABA通过抑制血清素（Serotonin；化学名5-羟色胺，5-hydroxytryptamine ，5-HT）合成，从而促进根部栓质化形成的调控途径。
栓质（Suberin）是植物应答胁迫环境，例如干旱，高盐，在根部内皮层细胞形成的一种屏障。长期以来，国外学者已经在模式植物拟南芥中克隆了多个栓质合成基因（Serra& Geldner, 2022），同时栓质的合成受到ABA的正向调控（Barberon, et al., 2016），但其中的具体途径并不清楚，同时在作物水稻中的研究也知之甚少。血清素在动物中是一种重要的神经递质；在植物中，虽知其参与很多生物学过程，但对其发挥作用的机制知之甚少，此前尚未有学者将其与栓质合成关联。
课题组前期揭示了5-HT与水杨酸之间存在拮抗关系，抑制5-HT合成可增强水稻的抗虫性(Lu et al., 2018)。根据5-HT合成基因OsT5H在根部的表达水平显著高于地上部分的特点，课题组推测5-HT在根部有着重要作用。本研究首先通过根部2D-DIGE蛋白质组学分析，发现5-HT合成缺陷突变体中与栓质合成相关的蛋白在突变体中普遍上调。通过GC-MS测定证实突变体中各栓质单体含量也显著上升。
进一步研发发现， OsT5H的空间表达模式与栓质的分布正好呈现出相反的趋势。由此本研究首次证实了5-HT与栓质合成存在拮抗关系，而栓质的芳香部化合物与水杨酸恰好均来自于苯丙烷类化合物合成途径。
在拟南芥中，已知脱落酸（ABA）是遭遇逆境时促进栓质形成的植物激素（Barberon et al., 2016）。作者首先通过ABA外源处理和遗传学实验，在水稻中证实了ABA在促进栓质形成中的作用。在此基础上，作者进一步研究了5-HT在ABA调控栓质合成途径中的作用。研究发现， ABA合成突变体中5-HT含量升高，外源ABA处理可抑制OsT5H表达，但OsT5H突变或过表达均不影响ABA含量。作者由此推论，ABA通过抑制OsT5H的表达促进水稻根中栓质的合成。虽然在拟南芥中尚未克隆到5-HT合成基因，但外源添加5-HT同样能够降低拟南芥根部栓质化形成的现象，作者推论“ABA-血清素”调控栓质化的机制在植物中具有普遍性。
根部栓质化是植物响应逆境胁迫、增强耐逆性的重要机制。作者进一步证实5-HT合成缺陷突变体和著名抗盐品种Pokkali根部高度栓质化与其耐盐性强相关，外源5-HT处理可使其对盐胁迫敏感。
本研究在植物中揭示了ABA通过调控5-HT合成进而调控根部通过栓质化响应外界胁迫的遗传学途径和生物学通路，为通过育种和化学手段调控水稻等作物更好地适应环境提供了新的思路。
论文第一作者芦海平博士毕业浙江大学农学院，现为生命科学学院特聘研究员；舒庆尧教授及英国纽卡斯尔大学Angharad教授为共同通讯作者。农学院昆虫所博士生高庆、作物所博士生郭小浩和无锡哈勃生物种业技术研究院汪庆等也参与了该工作。论文修改及返修过程中得到加拿大渥太华大学Illimar Altosaar教授及生科院刘建祥教授的帮助和支持。此外，本研究拟南芥部分工作得到瑞士日内瓦大学韩建普博士及Marie Barberon教授的帮助;青岛海水稻研究发展中心李继明博士提供了抗盐水稻Pokkali种子。研究受国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18397
参考文献:
Barberon M, Vermeer JEM, De Bellis D, Wang P, Naseer S, Andersen TG, Humbel BM, Nawrath C, Takano J, Salt DEet al. 2016. Adaptation of root function by nutrient-induced plasticity of endodermal differentiation. Cell 164: 447-459.
Lu HP, Luo T, Fu HW, Wang L, Tan YY, Huang JZ, Wang Q, Ye GY, Gatehouse AMR, Lou YGet al. 2018. Resistance of rice to insect pests mediated by suppression of serotonin biosynthesis. Nature Plants4: 338-344.
Serra O, Geldner N. 2022. The making of suberin. New Phytologist DOI: 10.1111/nph.18202.
图文来源：植物微生物最前线公众号
转自：植物生物技术Pbj
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