文章標(biāo)題：The mechanism of exogenous gibberellin A3 protecting sorghum shoots from S-metolachlor Phytotoxicity
發(fā)表期刊：Pest Management Science
影響因子：4.462
作者單位：河南農(nóng)業(yè)科學(xué)院
百趣提供服務(wù)：植物激素高通量靶標(biāo)定量

1.研究背景
高粱(Sorghum bicolor L. Moench.)是世界第五大谷類作物，在生長初期易受雜草干擾，造成巨大的產(chǎn)量損失。異丙甲草胺(S-Metolachlor, MET)是一種防治高粱田雜草的廣譜性苗前除草劑，已在多個(gè)國家得到廣泛應(yīng)用。然而，高粱對(duì)除草劑的耐受性較差，施用不當(dāng)會(huì)對(duì)高粱產(chǎn)生嚴(yán)重的植物毒性效應(yīng)。為了減輕MET的植物毒性作用，使用安全劑是有效、直接和具有成本效益的策略之一。安全劑是一類可以在不影響除草劑活性的情況下減輕除草劑植物毒性的化合物。目前，氟沙芬、惡阿比替尼、萘酸酐、乙腈、氟唑、赤霉素(Gibberellin A3, GA3)等安全劑是高粱田常用的安全劑。

其中赤霉素是一種內(nèi)源植物激素，參與植物的多種生理過程，如促進(jìn)植物細(xì)胞伸長和分裂、促進(jìn)種子萌發(fā)、調(diào)節(jié)植物開花等。但是，GA3如何減輕除草劑的植物毒性還不完全清楚。因此，作者通過研究外源GA3和MET對(duì)高粱幼苗內(nèi)源激素的調(diào)控作用，探討外源GA3保護(hù)高粱幼苗免受MET植物毒性的機(jī)制。此外，利用qPCR分析了18個(gè)植物激素相關(guān)基因的表達(dá)譜，以闡明該過程的分子機(jī)制。

2.研究思路

3.研究結(jié)果 （1）GA3作為MET安全劑在高粱幼苗生長中的作用
采用劑量-反應(yīng)生物測定法，研究了MET和GA3對(duì)高粱幼苗生長的影響。MET對(duì)幼苗生長有明顯的抑制作用，且呈劑量依賴性。在MET處理下，高粱植株表現(xiàn)出葉片卷曲不當(dāng)、葉片畸形和生長發(fā)育不良等相同類型的形態(tài)變化（圖1）。當(dāng)MET和GA3聯(lián)合施用時(shí)，高粱葉片伸長，植株生長良好，生長指標(biāo)恢復(fù)正常（圖1）。
 

圖1. 高粱幼苗在不同處理后7天的形態(tài)反應(yīng)。其中MET為200mg/L異丙甲草胺，GA3為800mg/L赤霉素A3 （2）GA3對(duì)MET在高粱幼苗中代謝的影響

作者通過計(jì)算不同處理下MET在高粱幼苗生長過程中的吸收和代謝，可以更詳細(xì)地揭示了外源性GA3如何減輕MET植物毒性。圖2為MET和MET+GA3處理下高粱幼苗生長過程中MET的代謝情況。MET和MET+GA3處理1h時(shí)，高粱莖部中MET含量分別為64.03mg/kg和62.13mg/kg，不同處理間無顯著差異。說明GA3減輕MET植物毒性的途徑不是通過減少高粱對(duì)MET的吸收。
 

圖2. 異丙甲草胺的代謝動(dòng)力學(xué)

以1h時(shí)高粱幼苗中MET含量作為初始量，MET和MET+GA3處理48h后，MET代謝率分別為99.96%和99.95%。MET和MET+GA3處理48h內(nèi)MET的消散曲線半衰期分別為4.3h和4.4h。因此，外源GA3不能通過加速M(fèi)ET在高粱中的代謝來緩解MET的植物毒性。

（3）不同處理下高粱幼苗內(nèi)源植物激素水平
利用植物激素代謝組學(xué)方法從高粱幼苗中檢測出14種植物激素相關(guān)代謝物，并從植物激素含量、相關(guān)性和內(nèi)穩(wěn)態(tài)等方面綜合分析了MET和GA3對(duì)高粱內(nèi)源植物激素水平的影響。圖3為不同處理72h后高粱芽組織內(nèi)源植物激素水平。與對(duì)照相比，MET處理對(duì)高粱莖部組織1-氨基環(huán)丙烷羧酸(1-Aminocyclopropanecarboxylic Acid, ACC)、吲哚-3-甲酸(Indole-3-carboxylic acid, ICA)、順式玉米素(cis-Zeatin, CZ)、吲哚丙酸(indolepropionic acid, IPA)和異戊烯腺嘌呤(N6-Isopentenyladenine, IP)含量無顯著影響。
 

圖3. 不同處理后的高粱芽組織72h后內(nèi)源激素含量的變化

這表明，外源GA3并不能緩解MET對(duì)茉莉酸(Jasmonates, Jas)和吲哚-3-乙酸(Indole-3-acetic acid, IAA)水平的影響。MET和GA3對(duì)其余5種植物激素的誘導(dǎo)分為三類：水楊酸(Salicylic acid, SA)和反式玉米素核苷(trans-Zeatin-riboside, tZR)水平在MET處理的高粱中分別顯著提高了167.00%和174.30%；而在MET+GA3處理的高粱中，兩種激素水平均顯著降低，SA含量恢復(fù)到與CK處理相當(dāng)?shù)乃�平。MET處理使高粱內(nèi)源GA3含量顯著降低78.10%，而MET+GA3處理使高粱內(nèi)源GA3含量顯著恢復(fù)，顯著提高了2091.30%。與CK相比，MET處理的植株脫落酸(Abscisic acid, ABA)和IBA水平分別顯著提高了120.20%和131.50%，MET+GA3處理的植株分別提高了1010.20%和228.40%。

根據(jù)內(nèi)源植物激素之間的相關(guān)性熱圖可以看出，GA3與其他植物激素之間的相互作用是復(fù)雜的，它們通過交聯(lián)與其他植物激素相互作用（圖4）。值得注意的是，GA3的含量與ABA呈高度正相關(guān)，與SA呈負(fù)相關(guān)（圖4）。
 

圖4. 植物激素相關(guān)性熱圖

GA和ABA都屬于萜類家族，共同參與植物生長的幾個(gè)過程，如種子萌發(fā)、抗逆性等。SA則主要作用于植物因病原侵染刺激而產(chǎn)生的防御反應(yīng)，從而間接而非直接地調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育。因此，高粱幼苗內(nèi)源GA3和ABA的含量可能是MET解毒過程中的關(guān)鍵。MET處理的高粱幼苗ABA/GA3比ck處理的植株高10.3倍，破壞了植物激素原有的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。而在MET+GA3處理中，ABA/GA3的比值與CK無顯著差異（圖5）。
 

圖5. 不同處理72h時(shí)高粱ABA/GA3比值的變化

（4）ABA和GA3相關(guān)基因表達(dá)譜
為了確定高粱中GA3和ABA積累差異的機(jī)制，對(duì)編碼GA3和ABA合成和代謝相關(guān)酶的基因表達(dá)譜進(jìn)行分析。其中有18個(gè)GA和ABA相關(guān)基因引起了作者的注意。進(jìn)一步評(píng)估后，確定了9個(gè)基因?yàn)槭躆ET和MET+GA3處理影響的主要基因。圖6為MET和MET+GA3處理后高粱樣品中9個(gè)關(guān)鍵基因在不同時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)量。MET+GA3處理下的高粱幼苗在72h和120h時(shí)分別誘導(dǎo)高粱幼苗中GA2ox基因表達(dá)上調(diào)4.4和7.2倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MET抑制了GA的合成，促進(jìn)了GA的代謝。MET+GA3處理同時(shí)促進(jìn)了GA的合成和代謝（圖6c）。

MET處理后0到120h,高粱幼苗中的ABA8ox基因轉(zhuǎn)錄水平被顯著抑制。而NCED基因表達(dá)在大多數(shù)時(shí)間點(diǎn)未受MET的調(diào)控，但在MET+GA3處理后24、72和120h分別上調(diào)至CK處理的8.0、5.8和6.4倍。另一個(gè)合成相關(guān)基因ZEP在1和72h時(shí)同樣被MET+GA3處理誘導(dǎo)上調(diào)1.9和3.0倍。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MET抑制ABA的代謝，而MET+GA3促進(jìn)ABA的合成（圖6c）。
 

圖6. 所有實(shí)驗(yàn)樣本中9個(gè)基因的表達(dá)水平

4.結(jié)論
MET的使用抑制了高粱幼苗生長，這是因?yàn)閮?nèi)源植物激素如GA和ABA水平的改變，或GA3和ABA穩(wěn)態(tài)的破壞。外源施用GA3能有效地減輕MET的毒性作用，其方式與大多數(shù)安全劑不同。外源GA3可能通過補(bǔ)充MET引起的GA3水平明顯下降來緩解MET的毒性。另一個(gè)可能的原因是外源GA3恢復(fù)了ABA和GA3的穩(wěn)態(tài)。這一推測已在遺傳水平上得到證實(shí)。外源GA3主要通過上調(diào)ABA合成相關(guān)基因ZEP和NCED恢復(fù)ABA/GA3比值。這一假設(shè)揭示了外源性GA3作為安全劑的解毒途徑的新視角。