植物激素调控橡胶树产排胶机制研究进展.pdf
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1、植物研究 2024,44(2):161 167Bulletin of Botanical Research植物激素调控橡胶树产排胶机制研究进展 郭冰冰 刘明洋 代龙军 杨洪 王立丰*(农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室,省部共建国家重点实验室培育基地-海南省热带作物栽培生理学重点实验室,特种天然橡胶加工技术创新中心,中国热带农业科学院橡胶研究所,海口 571101)摘 要 巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)是重要热带经济作物之一,其次生代谢产物天然橡胶(NR)是中国重要的工业原料及战略物资。植物激素对植物生长发育、萌发和环境应答等多方面均具有重要调控作用。本文详细介
2、绍了乙烯、脱落酸、油菜素内酯和赤霉素4种植物激素在橡胶树生长发育、橡胶生物合成、产排胶和品质形成等关键环节中应用的研究进展,并展望4种激素在提高橡胶树产排胶机制研究中的应用前景,为支撑橡胶产业发展提供理论支撑。关键词 橡胶树;排胶;植物激素;天然橡胶;生物合成中图分类号:S794.1 文献标志码:A doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2024.02.001Research Progress on the Mechanism of Plant Hormone Regulating Yield and Latex Flow in Hevea brasiliensisGUO
3、Bingbing LIU Mingyang DAI Longjun YANG Hong WANG Lifeng*(Key Laboratory of Biology and Genetic Resources of Rubber Tree,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,P.R.China,State Key Laboratory Incubation Base for Cultivation&Physiology of Tropical Crops,Special Natural Rubber Processing Technology I
4、nnovation Center,Rubber Research Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Haikou 571101)Abstract Rubber tree(Hevea brasiliensis)is one of the important tropical cash crops,and natural rubber(NR),a secondary metabolite,is an important industrial raw material and strategic material
5、in China.Phytohormones play important roles in regulating plant growth,development,germination,and environmental responses.Here,the research progress on application of four phytohormones,Ethylene,Abscisic acid,Brassinolides,and Gibberellin in the growth and development of rubber trees,NR biosynthesi
6、s,rubber yield,latex flow,and quality formation,was summarized in detail,and the application prospect of four phytohormones in mechanism research of improving rubber production and latex flow was looked forward to provide theoretical support for the rubber industry development.Key words Hevea brasil
7、iensis;latex flow;plant hormone;natural rubber;biosynthesis植物激素是植物体内合成的多种微量内源激素的总称,对于植物生长发育、初生/次生代谢、生物胁迫和非生物胁迫响应等过程具有关键作用1。主要植物激素有茉莉酸(Jasmonic acid,JA)2、乙烯(Ethylene,ET)3、脱落酸(Abscisic acid,ABA)4、赤霉素(Gibberellin,GA)5、油菜素内酯(Brassinosteroids,BRs)6、生长素(Auxin)、水杨酸(Salicylic acid,SA)、细胞分裂素(Cytokinins,CTK)和
8、独脚金内酯(Strigolactones,SLs)九大类7。每大类植物激素又包含很多细分种类,例如,生长素包含吲哚乙酸(IAA)、吲哚丁酸(IBA)、萘乙酸(NAA)以及二氯苯氧乙酸(2,4-D),GA包括GA1、GA3、GA4和GA7等。植物激素既可单独对植物产生调控作用,又可以交互作用形式协同对植物起到叠加或者拮抗作用8-9,为激素精细调控植物各类生理反应奠定基础。基金项目:海南省重大科技计划项目资助(ZDKJ2021004)。第一作者简介:郭冰冰(1989),女,博士,主要从事植物生理与分子生物学研究。*通信作者:E-mail:。收稿日期:2023年11月17日。44 卷植物研究天然橡胶
9、(NR)主要是在橡胶树(Hevea brasiliensis)乳管细胞中合成、具有高价值且目前不可替代的高分子量生物聚合物,作为原材料生产轮胎和医用手套等多种橡胶产品。因其具有许多合成橡胶不具备的拉伸特性,所以对交通运输、医药和国防事业等至关重要10。中国是天然橡胶最大消费国、进口国和橡胶制品第一生产大国。截至2022年底,中国橡胶种植面积为112.3万hm2,居世界第四位,产量 85.3 万吨,居世界第五位11。目前,植物激素在橡胶树幼苗组织培养12、生长发育、乳管分化、产胶13和排胶14等研究领域中均具有重要作用,但是内在生理和分子调控机制研究相对于模式植物拟南芥(Arabidopsis
10、thaliana)和杨树(Populus tremula)等相对滞后。笔者首先简要介绍ET、ABA、BRs和GA4种植物激素生物合成和信号转导途径的最新研究进展;针对橡胶产业近年来面临的从产量需求到品质提升这一产业关键问题,结合笔者的研究基础,详细介绍植物激素在橡胶产业各应用领域的研究现状和存在问题;最后展望植物激素生理与分子生物学研究在橡胶产业升级中的应用领域,以期为橡胶树中的激素研究提供理论基础。1 橡胶树中乙烯信号途径研究进展1.1乙烯合成和信号转导途径乙烯合成和信号转导途径ET是第一个以气体分子被确定的植物激素,其功能主要是调节植物的生长、防御、成熟、繁殖和衰老过程。其合成是以S-腺苷
11、甲硫氨酸(SAM)为原料,经1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)反应合成ET。在植物中,ACC合成酶(ACS)和ACC氧化酶(ACO)是ET生物合成途径中的2个关键酶,它们在转录和转录后都受到严格的调控,调节乙烯的生物合成15。植物中可以感知乙烯的受体蛋白有5个:ETR1、ETR2、ERS1、ERS2及EIN4,对ET信号转导过程起负调控作用,主要定位在内质网膜上16。CTR1 是 ET 信号途径中的抑制因子17,EIN2是乙烯信号转导中的关键组分18,EIN3/EIL1蛋白存在于细胞核中,是乙烯信号途径中的关键转录因子19,可对下游的乙烯应答因子(Ethylene response facto
12、r,ERF)进行调控20。1.2乙烯利对橡胶树的作用机制解析乙烯利对橡胶树的作用机制解析作 为 乙 烯 的 释 放 剂,乙 烯 利(Ethephon 或Ethrel,ETH)是被广大胶农认可的一种非常有效的橡胶树采胶刺激剂,也是国际上增加橡胶树胶乳产量的常用化学试剂。在橡胶树中相继鉴定了EIN3/EIL1 基因家族和下游靶蛋白,HbEIN3 蛋白可以与含有ERE及G-box顺式元件的启动子结合调控下游应答基因,并且不同浓度ETH刺激可以短时间内提高胶乳中HbEIN3蛋白积累量21-22。作为乙烯信号途径的ERF转录因子,其保守结构域AP2可以识别下游靶基因来激活乙烯信号通路。巴西橡胶树中具有完
13、整AP2结构域的转录因子有142个,参与乳管细胞分化及胁迫反应。乳管细胞水循环、活性氧的产生和清除、糖代谢,以及乳胶肌动蛋白细胞骨架的组装和解聚可能在乙烯诱导的乳胶产量增加中起重要作用。蔗糖是天然橡胶的合成底物,外用ETH可以增加蔗糖转运蛋白基因的表达量以及蛋白活性,提高了光合产物向乳管的运输,为天然橡胶的合成增添更多的底物。同时,ETH还能提高NR生物合成相关基因的表达量23,提高乳管中水通道蛋白基因 HbPIP2;1 及HbTIP1;1的表达量,促进乳管从周围组织中吸水稀释胶乳浓度,促进胶乳流动,降低胶乳堵塞指数,延长排胶时间,提高胶乳产量24-25。但是,ETH刺激不当和低温易引起橡胶树
14、胶乳过度长流。我国的天然橡胶主栽区在1012月处于低温季节,橡胶树胶乳过度长流会导致橡胶树养分的大量流失,甚至引发死皮等生理障碍。割胶后胶乳和水分的大量流失,首先导致割面受到失水胁迫,引发内源逆境相关激素合成,进一步导致活性氧增加,最终诱导橡胶树细胞程序性死亡,导致胶乳橡胶烃分子量减少和品质下降14。张华林等26研究发现,橡胶树新品种 湛试 327-13 兼具抗寒和高产的特性。以体积分数 1.5%ETH处理橡胶树 湛试327-13 开割树,连续割6刀后,证明橡胶树活性氧淬灭酶、蔗糖转运蛋白、胶乳抗性和橡胶生物合成关键酶基因在树皮表达量高于其在胶乳中表达量。随着割次的增加,湛试327-13 树皮
15、脂肪氧化酶基因(HbLOX1)和过氧化物酶基因(HbPOD1)的表达量显著上调,表达峰值为对照的22.15倍和31.95倍;蔗糖转运蛋白基因HbSUT1和 HbSUT2a的表达量与对照相比分别提高66.11倍和58.50倍;几丁质酶基因HbCHI、葡聚糖酶基因 HbGLU 和橡胶素基因 HbHEV 的表达量分别比对照提高16.93倍、8.09倍和10.37倍;橡胶生物合成关键酶基因HbGGPPS和HbHMGS1的表162郭冰冰等:植物激素调控橡胶树产排胶机制研究进展 2 期达量分别比对照提高 14.71 倍和 15.05 倍。说明ETH刺激橡胶树后,湛试327-13 胶乳和树皮中活性氧淬灭酶、
16、蔗糖转运蛋白、胶乳防卫蛋白和橡胶生物合成关键酶基因表达量提高且持续时间长达 6 刀(18 d),是其抗寒性和产量形成的分子基础,亦可作为橡胶树种质资源评价指标,用于分子辅助育种26。2 橡胶树中脱落酸信号研究进展2.1脱落酸合成和信号转导途径脱落酸合成和信号转导途径ABA是植物内源激素,调控植物脱落与休眠,控制植物生长发育及种子萌发等,因其可以使植物叶片脱落而得名,又因参与植物的非生物胁迫过程也被称为“胁迫激素”27。脱落酸主要在植物的叶绿体和细胞质中合成,分为C15直接途径和C40间接途径。高等植物中主要存在的脱落酸合成路径是C40途径。逆境胁迫会在不同程度上刺激植物体内ABA合成,通过促进
17、叶片气孔关闭,促进相关基因的表达,随后诱导抗逆特异蛋白的合成来响应逆境胁迫。ABA依赖型信号通路主要包括四大核心组件:ABA受体PYR/PYL/RCAR、负调控蛋白磷酸酶PP2C家族的A亚族成员、正调控蛋白激酶SnRK2和转录因子ABRE/ABF。正常生长条件下,PP2C通过磷酸化来抑制SnRK2的表达;环境胁迫条件下,胞内ABA含量升高被PYR/PYL/RCAR受体蛋白识别,PP2C与受体蛋白互作抑制PP2C蛋白磷酸化,使得SnRK2处于激活状态,触发下游 ABA应答元件与 bZIP转录因子结合调控下游靶基因的表达。因植物抗旱性与ABA的积累量呈正相关,内源ABA含量被作为鉴定抗旱性的指标之
18、一。2.2脱落酸与橡胶树排胶的机制研究脱落酸与橡胶树排胶的机制研究本课题组相继鉴定了橡胶树ABA信号途径中的 HbPP2C 家族28、HbSnRK2 家族29和 HbbZIP 家族成员30。其中,HbPP2C家族有60个成员,划分为13个亚家族。表达分析表明,40个HbPP2C基因在橡胶树枝条中表达量最高,在胶乳中表达量最低。此外,A亚家族HbPP2C基因在ABA、干旱和草甘膦处理下的表达显著增加,A、B、D和F1亚家族成员在高温、低温胁迫下的表达显著增加。A和F1亚家族成员的表达在植株受白粉病(Oidium heveae)感染后显著上调,与对照相比,HbPP2C6基因的表达显著增加33倍。说
19、明不同的HbPP2C亚家族基因可能在橡胶树对植物激素的调节及对非生物和生物胁迫的反应中具有不同的作用28。HbSnRK2家族有6个成员,分为3个亚家族。通过对所有HbSnRK2基因的顺式调控元件序列分析,在所有HbSnRK2基因的启动子中发现了ABRE和TC富集元件,表明HbSnRK2可以被ABA和胁迫反应调节。RT-qPCR 分析显示,HbSnRK2.2 基因在ABA 处理下的表达尤为显著。此外,HbSnRK2.2基因对草甘膦、白粉病、热胁迫和冷胁迫等过程均有响应,表明 HbSnRK2.2基因在橡胶树的植物激素信号传导和应激反应中发挥重要作用29。HbbZIP家族成员有33个,分为10个亚家
20、族。RT-qPCR分析发现33个HbbZIP主要在花中表达,其次是叶和根,在胶乳和树皮中表达最低。ABA处理后,这些基因表达量差异显著,最高的 HbbZIP38基因表达水平增加了约21倍,最低的HbbZIP56水平下降了21倍。以上研究为进一步解析ABA信号途径的关键家族成员奠定了基础。3 橡胶树中油菜素内酯信号研究进展3.1油菜素内酯合成和信号转导途径油菜素内酯合成和信号转导途径目前已知有 60 多种 BR 类似物,根据侧链 C-24位置上的烷基分为C-27,C-28和C-29三大类群。C-28类群是植物中含量最丰富、分布最广的BRs。BRs的生物合成涉及平行和高度分支的通路,彼此之间呈现交
21、互作用31。在拟南芥中,BRs被质膜结合的富含亮氨酸重复序列(LRR)的RLKs、BRI1及其同源物BRL1和BRL3感知。在缺乏 BRs的情况下,BRI1激酶抑制剂 1(BKI1)的负调控因子可阻止BRI1与其共受体BRI1相关受体激酶1(BAK1)/体细胞胚胎发生受体样激酶3(SERK3)的结合,从而抑制其活性。在这种情况下,1种GSK3/shaggy样蛋白激酶,即油菜素内酯敏感蛋白2(BIN2)激活并磷酸化2个转录因子,油菜素内酯抗性蛋白1(BZR1)和BRI1 EMS抑制蛋白1(BES1)/BZR2,导致它们经蛋白酶体介导的路径降解。结合BR后,BRI1与BAK1相互作用导致它们通过磷
22、酸化相互激活。这种反式磷酸化激活了BRI1 的激酶活性,磷酸化并激活 BR 信号激酶(BSK1、BSK2和BSK3),调控下游基因响应BR31。3.2油菜素内酯促进橡胶树排胶机制及其调控油菜素内酯促进橡胶树排胶机制及其调控BR是调控植物生长发育和产量形成的重要植物激素之一。本课题组32-34以橡胶树品种 热研16344 卷植物研究73397 为研究对象,分析橡胶树中BR缓解水分亏缺和提高乳胶产量的效应。结果表明:BR通过提高光合作用速率、减少渗透调节物质的渗透、增加能量物质的合成和改善抗氧化系统,提高了水分亏缺条件下橡胶树的活力。此外,BR在不降低胶乳硫醇、蔗糖和无机磷的情况下,通过降低堵塞指
23、数和提高黄色体破裂指数来提高乳胶的产量和品质。RNA-Seq分析进一步表明,差异基因编码蛋白主要富集在MAPK信号通路、植物激素信号转导和蔗糖代谢这3个通路。BR还可诱导反式玉米素、ET、SA、激动素和细胞分裂素含量提升,而对于生长素、ABA和GA无诱导作用32-34。4 橡胶树中赤霉素信号研究进展4.1赤霉素合成和信号转导途径赤霉素合成和信号转导途径GA是存在于植物中的四环二萜类化合物,具有以四环或者五环进行排列的碳骨架结构,可变的第五环是内酯,其合成分别在质体、内质网膜和细胞质3个亚细胞结构中进行。在植物、细菌和真菌中鉴定到的赤霉素有130多种,可以调节植物生长发育的有活性赤霉素只有4种:
24、GA1、GA3、GA4和GA735。赤霉素信号转导由GA信号受体GID1和负调控因子DELLA蛋白组成。GID1是一种可溶性赤霉素受体,在细胞质上感受到GA信号后直接与 GA 相结合形成 GA-GID1 复合物。然后 GA-GID1复合物与DELLA相结合,此过程有SCFGID2E3泛素连接酶复合物参与快速降解DELLA,引发下游GA响应基因的表达。GID编码类似激素敏感相关的脂肪酶HSL蛋白,含有HSL保守基序HGG和GXSXG,但是不具有水解酶的活性,其与DELLA的互作也要依赖GA的存在。DELLA对GA信号途径起阻遏作用,N 端具有保守 DELLA 和VHYNP 结构域来推动 GID1
25、 和 DELLA 的互作,C 端为 GRAS 结构域,包含 2 个亮氨酸重复序列LHR。已知的 DELLA 蛋白有 RGA、RGL1、RGL2、RGL3及GAI36。4.2赤霉素促进橡胶树排胶机制及其调控赤霉素促进橡胶树排胶机制及其调控吴绍华等37采用 RT-PCR 与 RACE 技术从橡胶树 热研73397 胶乳中克隆了2个DELLA蛋白(HbGAI 和 HbRGA1)。HbGAI 的 cDNA 序列全长 2 050 bp,包含 1 842 bp 的完整 ORF,HbRGA1 的cDNA序列长为2 136 bp,含1 839 bp的ORF,两者的氨基酸序列都含有DELLA和GRAS结构域,属
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