发表期刊：Pest Management Science
影响因子：4.462
作者单位：河南农业科学院
百趣提供服务：植物激素高通量靶标定量
1.研究背景
高粱(Sorghum bicolor L. Moench.)是世界第五大谷类作物，在生长初期易受杂草干扰，造成巨大的产量损失。异丙甲草胺(S-Metolachlor, MET)是一种防治高粱田杂草的广谱性苗前除草剂，已在多个国家得到广泛应用。然而，高粱对除草剂的耐受性较差，施用不当会对高粱产生严重的植物毒性效应。为了减轻MET的植物毒性作用，使用安全剂是有效、直接和具有成本效益的策略之一。安全剂是一类可以在不影响除草剂活性的情况下减轻除草剂植物毒性的化合物。目前，氟沙芬、恶阿比替尼、萘酸酐、乙腈、氟唑、赤霉素(Gibberellin A3, GA3)等安全剂是高粱田常用的安全剂。
其中赤霉素是一种内源植物激素，参与植物的多种生理过程，如促进植物细胞伸长和分裂、促进种子萌发、调节植物开花等。但是，GA3如何减轻除草剂的植物毒性还不完全清楚。因此，作者通过研究外源GA3和MET对高粱幼苗内源激素的调控作用，探讨外源GA3保护高粱幼苗免受MET植物毒性的机制。此外，利用qPCR分析了18个植物激素相关基因的表达谱，以阐明该过程的分子机制。
2.研究思路
3.研究结果
（1）GA3作为MET安全剂在高粱幼苗生长中的作用
采用剂量-反应生物测定法，研究了MET和GA3对高粱幼苗生长的影响。MET对幼苗生长有明显的抑制作用，且呈剂量依赖性。在MET处理下，高粱植株表现出叶片卷曲不当、叶片畸形和生长发育不良等相同类型的形态变化（图1）。当MET和GA3联合施用时，高粱叶片伸长，植株生长良好，生长指标恢复正常（图1）。
图1. 高粱幼苗在不同处理后7天的形态反应。其中MET为200mg/L异丙甲草胺，GA3为800mg/L赤霉素A3
（2）GA3对MET在高粱幼苗中代谢的影响
作者通过计算不同处理下MET在高粱幼苗生长过程中的吸收和代谢，可以更详细地揭示了外源性GA3如何减轻MET植物毒性。图2为MET和MET+GA3处理下高粱幼苗生长过程中MET的代谢情况。MET和MET+GA3处理1h时，高粱茎部中MET含量分别为64.03mg/kg和62.13mg/kg，不同处理间无显著差异。说明GA3减轻MET植物毒性的途径不是通过减少高粱对MET的吸收。
图2. 异丙甲草胺的代谢动力学
以1h时高粱幼苗中MET含量作为初始量，MET和MET+GA3处理48h后，MET代谢率分别为99.96%和99.95%。MET和MET+GA3处理48h内MET的消散曲线半衰期分别为4.3h和4.4h。因此，外源GA3不能通过加速MET在高粱中的代谢来缓解MET的植物毒性。
（3）不同处理下高粱幼苗内源植物激素水平
利用植物激素代谢组学方法从高粱幼苗中检测出14种植物激素相关代谢物，并从植物激素含量、相关性和内稳态等方面综合分析了MET和GA3对高粱内源植物激素水平的影响。图3为不同处理72h后高粱芽组织内源植物激素水平。与对照相比，MET处理对高粱茎部组织1-氨基环丙烷羧酸(1-Aminocyclopropanecarboxylic Acid, ACC)、吲哚-3-甲酸(Indole-3-carboxylic acid, ICA)、顺式玉米素(cis-Zeatin, CZ)、吲哚丙酸(indolepropionic acid, IPA)和异戊烯腺嘌呤(N6-Isopentenyladenine, IP)含量无显著影响。
图3. 不同处理后的高粱芽组织72h后内源激素含量的变化
这表明，外源GA3并不能缓解MET对茉莉酸(Jasmonates, Jas)和吲哚-3-乙酸(Indole-3-acetic acid, IAA)水平的影响。MET和GA3对其余5种植物激素的诱导分为三类：水杨酸(Salicylic acid, SA)和反式玉米素核苷(trans-Zeatin-riboside, tZR)水平在MET处理的高粱中分别显著提高了167.00%和174.30%；而在MET+GA3处理的高粱中，两种激素水平均显著降低，SA含量恢复到与CK处理相当的水平。MET处理使高粱内源GA3含量显著降低78.10%，而MET+GA3处理使高粱内源GA3含量显著恢复，显著提高了2091.30%。与CK相比，MET处理的植株脱落酸(Abscisic acid, ABA)和IBA水平分别显著提高了120.20%和131.50%，MET+GA3处理的植株分别提高了1010.20%和228.40%。
根据内源植物激素之间的相关性热图可以看出，GA3与其他植物激素之间的相互作用是复杂的，它们通过交联与其他植物激素相互作用（图4）。值得注意的是，GA3的含量与ABA呈高度正相关，与SA呈负相关（图4）。
图4. 植物激素相关性热图
GA和ABA都属于萜类家族，共同参与植物生长的几个过程，如种子萌发、抗逆性等。SA则主要作用于植物因病原侵染刺激而产生的防御反应，从而间接而非直接地调节植物的生长发育。因此，高粱幼苗内源GA3和ABA的含量可能是MET解毒过程中的关键。MET处理的高粱幼苗ABA/GA3比ck处理的植株高10.3倍，破坏了植物激素原有的内稳态。而在MET+GA3处理中，ABA/GA3的比值与CK无显著差异（图5）。
图5. 不同处理72h时高粱ABA/GA3比值的变化
（4）ABA和GA3相关基因表达谱
为了确定高粱中GA3和ABA积累差异的机制，对编码GA3和ABA合成和代谢相关酶的基因表达谱进行分析。其中有18个GA和ABA相关基因引起了作者的注意。进一步评估后，确定了9个基因为受MET和MET+GA3处理影响的主要基因。图6为MET和MET+GA3处理后高粱样品中9个关键基因在不同时间点的表达量。MET+GA3处理下的高粱幼苗在72h和120h时分别诱导高粱幼苗中GA2ox基因表达上调4.4和7.2倍。实验结果表明，MET抑制了GA的合成，促进了GA的代谢。MET+GA3处理同时促进了GA的合成和代谢（图6c）。
MET处理后0到120h,高粱幼苗中的ABA8ox基因转录水平被显著抑制。而NCED基因表达在大多数时间点未受MET的调控，但在MET+GA3处理后24、72和120h分别上调至CK处理的8.0、5.8和6.4倍。另一个合成相关基因ZEP在1和72h时同样被MET+GA3处理诱导上调1.9和3.0倍。本实验结果表明，MET抑制ABA的代谢，而MET+GA3促进ABA的合成（图6c）。
图6. 所有实验样本中9个基因的表达水平
4.结论
MET的使用抑制了高粱幼苗生长，这是因为内源植物激素如GA和ABA水平的改变，或GA3和ABA稳态的破坏。外源施用GA3能有效地减轻MET的毒性作用，其方式与大多数安全剂不同。外源GA3可能通过补充MET引起的GA3水平明显下降来缓解MET的毒性。另一个可能的原因是外源GA3恢复了ABA和GA3的稳态。这一推测已在遗传水平上得到证实。外源GA3主要通过上调ABA合成相关基因ZEP和NCED恢复ABA/GA3比值。这一假设揭示了外源性GA3作为安全剂的解毒途径的新视角。
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