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(Q1/)|华南农业大学储成才教授团队揭示水稻OsGSK1-OsBZR3-OsJAZ4模块调控耐盐与生长恢复的分子机制

  • 2026-10-14 19:40:02
(Q1/)|华南农业大学储成才教授团队揭示水稻OsGSK1-OsBZR3-OsJAZ4模块调控耐盐与生长恢复的分子机制

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文献标题:The OsGSK1-OsBZR3-OsJAZ4 module integrates nitrate signaling with brassinosteroid and jasmonic acid crosstalk to drive cell wall remodeling for salt recovery in rice

文献译名:OsGSK1-OsBZR3-OsJAZ4 模块整合硝酸盐信号与油菜素甾醇 - 茉莉酸交叉对话驱动细胞壁重塑以实现水稻盐胁迫恢复

期刊名称:Plant Communications

发表时间:2026 年 04 月 20 日

影响因子:11.6(2024-2025 年)

论文一作:Huijing Yang、Kunyang Song(共同一作)

一作单位:华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室;岭南现代农业广东省实验室;华南农业大学农学院

通讯作者:储成才 教授、刘向东 教授、张艳霞 教授

通讯邮箱:ccchu@scau.edu.cn;xdliu@scau.edu.cn;yanxia.zhang@scau.edu.cn

项目基金:作者谨此感谢华南农业大学吴健教授提供体内磷酸化实验所需的 pART27-mVenus 与 pCambia1300-Flag 载体,感谢华南农业大学张泽民教授提供亚细胞定位所用 pCAMBIA1305.1 载体与体外 pull-down 实验所用 PET32a (+) 载体;本研究得到广东省重点研发计划项目(2025B0202050003)、国家自然科学基金面上项目(32470309)、生物育种国家科技重大专项(2023ZD04072)、岭南水稻种质资源库项目(2024B1212060009)、岭南现代农业实验室项目(NT2021001)、广东省科技厅专项及广东省基础与应用基础研究基金(2025A1515012425)、华南农业大学一流学科交叉创新团队项目(20250922A01)资助。

01

研究背景

盐胁迫作为最常见且最严重的非生物胁迫之一,严重破坏植物的细胞壁完整性、细胞离子稳态和养分吸收,进而导致生长缺陷与作物减产。由于植物固着生长的特性,其必须在与盐渍环境的密切接触中适应胁迫,通过根系恢复并维持生长至稳态来确保存活与繁殖。已有研究表明,施加氮素及提高氮利用效率能够有效促进植物生长并增强其耐盐性。然而,关于根系如何在盐胁迫下实现生长恢复,以及氮素缓解盐胁迫的具体机制,目前仍知之甚少。本研究以水稻 (Oryza sativa) 为研究对象,深入探讨其在长期盐胁迫下维持生长并实现恢复的内在分子机制。

在长期胁迫下,主要的植物激素途径在塑造根系生长和盐分恢复力方面发挥着关键作用。在拟南芥 (Arabidopsis) 中,脱落酸、赤霉素、油菜素内酯 (BR) 和茉莉酸 (JA) 均参与调控盐胁迫下的根系生长响应。其中,BR 信号通路通过糖原合酶激酶3样激酶 BIN2 以及 BES/BZR 家族转录因子 BZR1 在根系生长恢复阶段发挥核心作用;例如,功能获得性突变体 bzr1-D 能够促进长期盐胁迫后的根系生长,而 BIN2 则通过与盐超敏感 (SOS) 信号通路(如 SOS3、SCaBP8 和 SOS2)互作并改变 BES1/BZR1 的磷酸化状态,作为盐响应与生长恢复之间的分子开关。然而,BES/BZR 家族转录因子如何协调下游信号传导以实现生长恢复仍不清楚。此外,盐分会引发细胞壁成分、硬度和结构的动态重塑,而 BR 和 JA 信号传导均被证实在长期盐渍条件下参与调节细胞壁稳态与根系恢复。尽管 JA 与 BR 之间的互作在多种生物学过程中已被证实,但这两条信号通路是否以及如何协同调控盐胁迫诱导的细胞壁修饰,特别是在水稻中,仍是一个亟待阐明的重要研究空白。

解析作物在长期盐胁迫下整合养分信号与多重激素网络以驱动细胞壁重塑的机制,是当前领域的核心挑战。本研究成功揭示了高硝酸盐供应能够通过 OsGSK1-OsBZR3-OsJAZ4 调控级联来维持水稻根系生长并促进盐胁迫恢复。在长期盐渍条件下,OsGSK1-OsBZR3 模块作为盐胁迫恢复的负调控因子,而高硝酸盐供应能够抑制 OsGSK1 对 OsBZR3 的磷酸化修饰;同时,OsBZR3 能够直接结合并激活 JA 信号抑制因子 OsJAZ4 的启动子,从而协调下游细胞壁重塑基因的表达。该研究不仅阐明了硝酸盐信号与 BR-JA 交互作用相整合以微调细胞壁动态的新型分子途径,还为培育耐盐作物和推进可持续绿色农业实践提供了全新的关键遗传靶点与理论支撑。

本文以水稻为研究对象,揭示OsGSK1-OsBZR3-OsJAZ4模块作为核心调控枢纽,将硝酸盐信号、油菜素甾醇(BR)与茉莉酸(JA)信号通路交叉整合,通过调控根系细胞壁重塑,促进水稻在长期盐胁迫下的生长恢复,明确高硝酸盐可抑制 OsGSK1 对 OsBZR3 的磷酸化,进而激活 OsJAZ4 并调控下游细胞壁基因,为培育耐盐水稻与绿色农业提供关键遗传靶点。

02

研究结果

2.1  试验材料创制与表型及生理指标鉴定

为了探究水稻在盐胁迫下的生长恢复机制,本研究以日本晴 (NIP)、台中65 (T65) 和中花11 (ZH11) 为遗传背景,利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术创制了 osbzr3、osgsk1 和 osjaz4 敲除突变体,并构建了 OsBZR3 过表达株系。在探究养分与激素信号整合的目标支配下,将上述水稻幼苗置于水培或琼脂培养基中,施加不同浓度 NaCl 及 KNO₃、NH₄Cl 或 KCl 进行盐胁迫与氮源处理,部分实验辅以外源油菜素内酯 (24-eBL) 处理。通过根系伸长率测定、DAPI 与亚甲基蓝染色结合显微成像量化侧根原基发育,并利用 FDA-PI 染色评估根系细胞活力,以系统鉴定植株的表型变化。在生理指标方面,利用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-AES) 测定地上部 Na⁺/K⁺ 含量,采用非损伤微测技术 (NMT) 实时监测根系伸长区 Na⁺ 流速,并结合分光光度法与同位素比值质谱仪 (EA-IRMS) 分别量化总氮含量与 ¹⁵N 吸收效率,从而全面解析盐胁迫及硝酸盐供应对水稻离子稳态与养分吸收的影响。

2.2 基因表达、蛋白互作与细胞壁成分分析

为阐明 OsGSK1-OsBZR3-OsJAZ4 模块的分子调控网络,研究采用了一系列分子生物学与生物化学方法。通过构建 GFP 融合载体并在本氏烟草 (Nicotiana benthamiana) 中瞬时表达,确定了目标蛋白的亚细胞定位。利用酵母双杂交 (Y2H)、双分子荧光互补 (BiFC)、萤光素酶互补成像 (LCI) 及体外 Pull-down 实验,验证了 OsGSK1 与 OsBZR3 之间的物理互作;并通过体外与体内磷酸化实验证实了 OsGSK1 对 OsBZR3 的磷酸化修饰作用。进一步,借助酵母单杂交 (Y1H)、凝胶阻滞实验 (EMSA) 和双萤光素酶报告基因系统 (DLR),确证了 OsBZR3 能够直接结合并激活下游靶基因 OsJAZ4 的启动子。在细胞壁重塑机制研究中,利用透射电子显微镜 (TEM) 观察并量化了根系表皮与外皮层细胞壁厚度;同时提取根系细胞壁醇不溶性残渣 (AIR),通过高效阴离子交换色谱 (HPAEC) 分析单糖组分,并采用化学比色法定量测定木质素与纤维素含量,结合 qRT-PCR 与 GUS 组织化学染色分析相关基因表达模式,深入揭示了该调控模块对细胞壁修饰的驱动作用。

2.3 组学数据分析与统计学方法

为从全基因组层面解析 OsBZR3 介导的转录重塑与靶基因网络,本研究整合了转录组学与表观基因组学技术。提取经盐胁迫处理的根系总 RNA 进行 RNA-seq 测序,利用 DESeq2 筛选差异表达基因 (DEGs),并通过 GRNBoost2 算法推断以 OsBZR3 为核心的基因共表达调控网络。同时,利用体外合成的 Halo-OsBZR3 融合蛋白进行 DNA 亲和纯化测序 (DAP-seq),以鉴定 OsBZR3 在全基因组范围内的直接结合位点及保守基序。上述 RNA-seq 与 DAP-seq 的原始测序数据均已存储于欧洲生物信息研究所 (EBI) 数据库,对应登录号为 PRJCA044508。所有实验数据均经过至少三次独立生物学重复,统计学分析采用 T 检验或 Duncan 多重比较法进行显著性检验,统计显著性阈值设定为 p < 0.05,确保了研究结论的严谨性与可靠性。

03

研究结果

3.1 OsGSK1在油菜素内酯信号通路中与OsBZR3互作并使其磷酸化

  • 突变体创制:利用CRISPR-Cas9技术创制了osgsk1敲除突变体,其在盐胁迫下表现出更高的存活率、更低的Na⁺/K⁺比值以及更多的侧根。

  • 亚细胞定位:OsGSK1蛋白同时定位于细胞质和细胞核,且在盐胁迫处理后,其在细胞质中的荧光信号显著增强。

  • 蛋白互作:鉴定出OsBZR3为OsGSK1的互作蛋白,并通过酵母双杂交、双分子荧光互补、萤光素酶互补成像及体外Pull-down等实验充分证实了二者的物理结合。

  • 磷酸化修饰:体内和体外磷酸化实验进一步表明,OsGSK1能够直接对OsBZR3进行磷酸化修饰。

  • 信号通路:osgsk1突变体对油菜素内酯(BR)处理表现出超敏反应,而osbzr3突变体则表现出敏感性降低,证实两者均作为水稻BR信号通路的关键组件发挥作用。

为探究BR信号传导介导水稻盐胁迫下生长恢复的机制,研究首先锁定了类GSK3激酶OsGSK1,发现其突变能显著提升水稻的耐盐性。亚细胞定位与多种互作实验证实,OsGSK1能够与BES家族转录因子OsBZR3发生物理互作,并在体内外对其进行磷酸化修饰。结合两者突变体对BR处理的相反响应表型,研究明确了OsGSK1与OsBZR3共同作用于水稻BR信号通路,为后续解析其在盐胁迫恢复中的功能奠定了分子基础。(Fig.1)

图1. OsGSK1与OsBZR3互作并使其磷酸化。 (A) Y2H实验显示OsGSK1与OsBZR3互作。(B) 本氏烟草叶片的BiFC实验表明OsBZR3与OsGSK1存在互作。比例尺= 40 μm。(C) 本氏烟草叶片的LCI实验显示OsBZR3与OsGSK1互作。(D) OsBZR3与OsGSK1的体外互作。使用结合OsBZR3-His的琼脂糖磁珠拉下指定的GST融合蛋白。使用抗His和抗GST抗体进行免疫印迹检测。(E) 在磷酸酶抑制剂PIC和蛋白酶抑制剂MG132存在下,OsBZR3-His融合蛋白作为OsGSK1-GST蛋白的底物。OsBZR3-His蛋白在phos-tag SDS-PAGE凝胶中分离,并由抗His抗体检测。(F) OsGSK1在体内磷酸化OsBZR3。OsBZR3-mVenus和OsGSK1-Flag蛋白在本氏烟草中共同表达。OsBZR3-mVenus蛋白在phos-tag SDS-PAGE凝胶中分离,并由抗GFP抗体检测。在E和F中,OsBZR3P代表磷酸化的OsBZR3蛋白。

3.2 OsBZR3调控根系生长恢复与幼苗耐盐性

  • 表达模式:OsBZR3主要在种子根伸长区及侧根原基中特异性表达,且其转录水平和启动子活性在盐胁迫下均受到显著抑制。

  • 根系生长:在盐胁迫下,osbzr3突变体的主根分生区缩短,但其种子根伸长与细胞活力得以更好维持,而过表达株系则表现出更高的盐敏感性。

  • 侧根发育:盐胁迫强烈抑制了野生型和过表达株系的侧根原基形成,但osbzr3突变体受到的抑制较轻,能够形成更多成熟的侧根原基。

  • 幼苗耐盐性:在长期盐胁迫及恢复期后,osbzr3突变体表现出显著更高的存活率和更低的地上部Na⁺/K⁺比值,证明其耐盐性增强。

  • 离子稳态:非损伤微测技术(NMT)揭示,osbzr3和osgsk1突变体根系伸长区的Na⁺外排率显著增加,表明该模块可能通过限制Na⁺外排来负调控耐盐性。

深入探究OsBZR3在盐胁迫下的生物学功能发现,该基因主要在根系活跃生长区域表达并受盐胁迫抑制。表型分析表明,OsBZR3在长期盐胁迫下作为根系生长恢复的负调控因子,其功能缺失不仅能够维持根系伸长和侧根发育,还能显著提高幼苗的整体存活率。进一步的生理检测证实,这种耐盐性的提升与突变体根系更强的Na⁺外排能力密切相关,揭示了OsGSK1-OsBZR3模块在限制离子稳态和阻碍盐胁迫恢复中的关键作用。(Fig.2)

图2. OsBZR3调控根系生长恢复与幼苗耐盐性。 (A) 0 mM或150 mM NaCl处理48小时后,5日龄pOsBZR3:GUS株系种子根的β-葡萄糖醛酸酶(GUS)染色(比例尺= 1 cm)及其横切面(比例尺= 0.1 mm)。EP=表皮,EX=外皮层,PC=薄壁组织,EN=内皮层,PE=中柱鞘,Ph=韧皮部,LR=侧根,LRP=侧根原基。(B) 150 mM NaCl处理0、6、12或24小时后,10日龄野生型NIP根系中OsBZR3的表达量(n= 4个重复)。采用Duncan多重比较法进行统计分析(p < 0.05)。(C-F) 模拟(0 mM)或150 mM NaCl处理下,野生型NIP、osbzr3-n敲除突变体和OE株系的根系伸长率(n= 10株幼苗)。比例尺= 1 cm。在D和F中,通过T检验进行统计分析(p < 0.05)。阴影区域代表统计学显著性。(G)和(H) 重力刺激用于诱导根弯曲处侧根原基(LRP)的同步形成。0 mM(模拟)(G)或150 mM NaCl (H)下重力诱导18小时后LRP阶段的频率(n= 至少30个生物学重复)。(I) NIP、osbzr3-n突变体和OsBZR3过表达株系(OE-1和OE-2)在150 mM NaCl处理7天后恢复7天的代表性图像。比例尺= 1 cm。(J) 150 mM NaCl处理7天后恢复7天的14日龄NIP、osbzr3-n和OsBZR3过表达株系OE-1和OE-2的存活率。每次重复包含24株幼苗(n=3,至少进行了两次独立实验)。(K) 150 mM NaCl处理5天的14日龄NIP、osbzr3-n和OE-1幼苗的地上部Na⁺/K⁺比值(n=3,将12株幼苗合并为一个重复)。数据为平均值±SEM。使用Duncan多重比较法进行统计分析(p < 0.05)。

3.3 OsBZR3在根系盐恢复期间抑制细胞壁重塑基因并激活硝酸盐响应

  • 转录组分析:时序转录组测序鉴定出大量差异表达基因,聚类分析显示这些基因在盐胁迫下呈现出早期和晚期不同的响应模式。

  • 基因富集:晚期响应的Cluster 2基因表现出依赖于OsBZR3的转录抑制模式,且GO富集分析显示细胞壁重塑与硝酸盐响应通路高度共富集。

  • 细胞壁基因:在盐胁迫后期,野生型中次生细胞壁合成相关基因(如CeSAs、CSLFs、PRXs)被显著抑制,而在osbzr3突变体中则得以维持。

  • 细胞壁结构:透射电镜(TEM)观察证实,无论在正常还是盐胁迫条件下,osbzr3突变体根系表皮和外皮层的细胞壁均显著加厚且结构更完整。

为了阐明OsBZR3介导根系恢复的分子机制,研究通过转录组学分析揭示了其在盐胁迫后期的关键调控网络。分析发现,OsBZR3主要抑制了一系列与细胞壁重塑和硝酸盐响应相关的基因表达。这一转录层面的发现随后在细胞学层面得到了印证:缺失OsBZR3会导致根系表皮和外皮层细胞壁显著增厚。结合前述的Na⁺外排数据,研究推断OsBZR3通过调控细胞壁修饰来影响根系在长期盐胁迫下的离子屏障功能与生长恢复。(Fig.3)

图3. OsBZR3在根系盐恢复期间抑制细胞壁重塑基因并激活硝酸盐响应。 (A) 通过C-均值聚类将所有差异表达基因(DEGs)(|log2FC| > 1.0,padj < 0.05)分为10个簇。每个聚类中的灰色图表示单个基因的标准化表达动态,紫色线代表平均表达动态。(B) 富集在C2中的DEGs的热图表达模式和GO富集。(C) C2中细胞壁组织和生物合成途径基因的表达。(D) 在含有0 mM(模拟)或150 mM NaCl的改良Kimura液体培养基中水培4天的T65和osbzr3突变体(两个独立等位基因的合并)种子根横切面的透射电子显微镜(TEM)分析代表性图像。切片取自种子根尖上方1 cm处。EP=表皮;EX=外皮层。在36,000倍放大率下观察细胞壁厚度(比例尺=200 μm)。(E)和(F) T65、osbzr3突变体(两个独立等位基因的合并)根系表皮(E)和外皮层(F)细胞壁厚度的定量分析(n= 3个生物学重复,每个生物学重复至少测量4-5个细胞)。数据为平均值±SEM。通过Duncan多重比较法确定统计分析(p < 0.05)。

3.4 OsGSK1-OsBZR3模块协调硝酸盐信号以介导盐胁迫下的水稻生长恢复

  • 硝酸盐响应:OsBZR3的表达特异性受KNO₃下调;盐胁迫下高硝酸盐能改变OsBZR3的亚细胞定位,并抑制OsGSK1对其的磷酸化。

  • 根系恢复:KNO₃以剂量依赖性方式缓解盐胁迫对根系生长的抑制,其中osbzr3突变体响应最弱,而过表达株系对硝酸盐的响应最强。

  • 幼苗存活:高浓度KNO₃能够以依赖于OsBZR3的方式,显著恢复盐胁迫下幼苗的存活率,并大幅降低地上部的Na⁺/K⁺比值。

  • 氮素维持:在盐胁迫下,osbzr3突变体能够比野生型和过表达株系更好地维持体内总氮水平,并保持较高的根系硝酸盐吸收活性。

鉴于转录组中硝酸盐响应与细胞壁基因的共富集,研究进一步探讨了硝酸盐在OsBZR3介导的盐恢复中的作用。结果表明,高硝酸盐供应不仅能在蛋白水平上抑制OsGSK1对OsBZR3的磷酸化修饰,还能在表型上显著逆转盐胁迫对根系生长和幼苗存活的抑制。值得注意的是,这种硝酸盐介导的盐恢复高度依赖于OsBZR3的存在。同时,OsBZR3的缺失增强了植物在盐胁迫下维持氮素吸收和保留的能力,确立了OsGSK1-OsBZR3模块作为整合硝酸盐信号与盐胁迫响应的核心枢纽。(Fig.4)

图4. OsGSK1-OsBZR3模块协调硝酸盐信号以介导水稻盐胁迫恢复。 (A) 经过不同氮源处理(0.5、1、3、6或12小时)后,水培8日龄野生型中花11 (ZH11) 幼苗根系中OsBZR3的时序表达(n= 4个重复)。在氮源处理前,幼苗经过3天的缺氮处理。NH₄Cl、谷氨酰胺(Gln)、KCl和KNO₃的浓度均为1.0 mM。使用T检验进行统计分析(与0小时相比,0.01 < p < 0.05,**p < 0.01)。(B) 在0 mM(模拟)、150 mM NaCl或150 mM NaCl结合2.5 mM KNO₃处理24、48或72小时的本氏烟草叶片中,OsBZR3-mVenus以及与OsGSK1-Flag共表达的OsBZR3-mVenus的磷酸化状态。数字表示蛋白质的相对表达水平。(C)和(D) 150 mM NaCl结合0、0.1、0.5、1.0、2.5或5.0 mM KNO₃处理7天后,2日龄T65、osbzr3和EPOX幼苗的种子根长度和侧根密度(n= 12株幼苗)。k代表折线图的斜率。随着k值的增加,侧根密度和主根长度的变化变得更加明显。通过与T65比较的T检验确定统计分析(**p < 0.01,0.01 < p < 0.05)。(E) 补充0.1 mM KNO₃ (LN) 或2.5 mM KNO₃ (HN) 并在150 mM NaCl下处理7天的14日龄T65、osbzr3-1e、osbzr3-2e、EPOX-1和EPOX-2幼苗的耐盐性测定。比例尺= 1 cm。(F) 与补充LN (KNO₃= 0.1 mM) 相比,补充HN (KNO₃= 2.5 mM) 的21日龄水稻幼苗存活率的硝酸盐响应。每次重复使用16株幼苗(n=5)。(G) 150 mM NaCl处理5天后地上部Na⁺/K⁺比值的硝酸盐响应(n= 3个重复,每个重复包含12株幼苗)。在E-G中,LN代表低浓度硝酸盐(KNO₃= 0.1 mM),而HN表示高浓度硝酸盐(KNO₃= 2.5 mM)。(H)和(I) 150 mM盐处理5天后,14日龄T65和osbzr3幼苗地上部和根系的总氮水平(n= 3个重复,每个重复包含12株幼苗)。(J) 缺氮2天后,模拟(0 mM)或150 mM NaCl条件下T65、osbzr3和OsBZR3过表达EPOX株系中的K¹⁵NO₃吸收活性(n= 3个重复,每个重复包含8株幼苗)。数据为平均值±SEM。F-J中的统计分析使用Duncan多重比较法进行(p < 0.05)。在G-J中,osbzr3突变体是两个独立等位基因的合并,EPOX株系是两个独立转基因事件的合并。

3.5 OsBZR3增强盐胁迫下细胞壁修饰的硝酸盐响应

  • 细胞壁加厚:在盐胁迫下,高浓度KNO₃普遍促进了根系外皮层和表皮细胞壁的加厚,且在OsBZR3过表达株系中响应最为剧烈。

  • 单糖组分:盐胁迫结合高硝酸盐处理显著改变了细胞壁中半乳糖、葡萄糖、甘露糖等单糖的组分比例,且该过程依赖于OsBZR3的活性。

  • 结构成分:高浓度KNO₃特异性地触发了OsBZR3过表达株系在盐胁迫下纤维素和木质素的大量积累,凸显了其对结构成分的调控作用。

为深入解析OsBZR3介导的高硝酸盐诱导盐恢复机制,研究对根系细胞壁的超微结构与化学组分进行了精细分析。结果显示,高硝酸盐不仅能在物理形态上促进依赖于OsBZR3的细胞壁加厚,还能在生化组成上引发广泛的重塑,包括特定单糖比例的改变以及纤维素和木质素的积累。这些发现充分证明了OsBZR3在微调不同硝酸盐水平下的细胞壁适应性重塑中发挥着至关重要的作用。(Fig.5)

图5. OsBZR3增强盐胁迫下细胞壁修饰的硝酸盐响应。 (A) HN + NaCl (2.5 mM KNO₃ + 150 mM NaCl) 或 LN + NaCl (0.1 mM KNO₃ + 150 mM NaCl) 下根系表皮和外皮层细胞壁TEM分析的代表性图像。根切片取自10日龄T65、osbzr3和EPOX株系种子根尖上方1 cm处,这些植株在改良Kimura培养基中水培,并用150 mM NaCl结合LN (0.1 mM KNO₃) 或HN (2.5 mM KNO₃) 处理3天。在36,000倍下观察细胞壁厚度(比例尺= 200 μm)。EP=表皮,EX=外皮层。(B)和(C) 在供应低硝酸盐(KNO₃= 0.1 mM, LN)或高硝酸盐(KNO₃= 2.5 mM, HN)的150 mM NaCl下处理3天后,T65、osbzr3和EPOX种子根尖上方1 cm处根系表皮(B)和外皮层(C)细胞层的细胞壁厚度定量。数据来自3株独立植株,每株植株至少测量5个细胞。(D)和(E) 在改良Kimura培养基中水培的10日龄T65、osbzr3和EPOX株系根系中的细胞壁单糖含量,用0 mM或150 mM NaCl结合LN (KNO₃= 0.1 mM) 或HN (KNO₃= 2.5 mM) 处理4天(n= 3个生物学重复,将24株幼苗合并为一个重复)。(F) 150 mM NaCl结合LN或HN处理4天后,10日龄水稻幼苗根系中细胞壁单糖含量的硝酸盐响应(n=3)。数据为平均值±SEM。B-I中的统计分析使用Duncan多重比较法进行(p < 0.05)。osbzr3突变体是两个独立等位基因的合并,EPOX株系是两个独立转基因事件的合并。在A至F中,LN代表低硝酸盐(KNO₃),HN代表高硝酸盐(KNO₃)。

3.6 OsBZR3在OsJAZ4上游发挥作用,以响应盐胁迫和硝酸盐可用性来调节JA信号传导及其下游细胞壁重塑

  • 靶基因预测:通过对转录组Cluster 6基因的网络推断分析,发现茉莉酸(JA)信号通路及多个OsJAZ基因是OsBZR3的潜在下游靶标。

  • 启动子结合:DAP-seq、酵母单杂交及凝胶阻滞实验(EMSA)确证,OsBZR3能够直接特异性结合到OsJAZ4等基因的启动子区域。

  • 信号抑制:双萤光素酶实验表明,OsBZR3能激活OsJAZ4的启动子,但该激活作用会被OsGSK1、盐胁迫及高硝酸盐处理所抑制。

  • 细胞壁重塑:osjaz4突变体在盐胁迫下表现出与osbzr3相似的表型,包括细胞壁相关基因的表达失调以及维持更高的侧根密度。

为了将硝酸盐信号、细胞壁适应与激素网络联系起来,研究深入挖掘了OsBZR3的直接转录靶标。通过多组学结合分子生物学手段,证实了OsBZR3能够直接结合并激活JA信号核心抑制因子OsJAZ4。更重要的是,这种激活作用受到上游OsGSK1激酶、盐胁迫以及高硝酸盐信号的联合抑制。结合osjaz4突变体在盐胁迫下表现出的细胞壁基因表达紊乱及耐盐表型,研究最终勾勒出一条完整的信号通路:OsGSK1-OsBZR3模块通过整合硝酸盐信号来微调OsJAZ4的活性,进而调控JA介导的细胞壁重塑,最终实现水稻在长期盐胁迫下的生长恢复。(Fig.6)

图6. OsBZR3在OsJAZ4上游发挥作用以调节JA信号传导及其下游细胞壁重塑。 (A) 簇6 (C6) 中DEGs的热图表达模式和GO富集。(B) 使用GRNBoost2对簇6中基因进行的OsBZR3下游直接靶标的转录调控网络推断。(C) C6中OsBZR3中心网络转录因子的GO(生物学过程)富集分析。列出了前15个GO术语。(D) 模拟(m)或150 mM NaCl (Na)处理6、24或48小时后,T65和osbzr3突变体根系中OsJAZs的表达模式(log2FC)。(E) 使用DAP-seq分析的OsBZR3靶标全基因组分析中OsJAZs基因的富集。(F) 在Y1H实验中,OsBZR3靶向OsJAZ4的启动子。(G) 凝胶阻滞实验验证了OsBZR3直接结合到OsJAZ4启动子中的相应基序。His蛋白用作阴性对照。(H) 双萤光素酶报告基因实验显示OsBZR3对OsJAZ4启动子的激活作用(n=4)。(I) 双萤光素酶报告基因实验表明,在0 mM或150 mM NaCl结合2.5 mM KNO₃下,OsBZR3对OsJAZ4启动子的激活受到OsGSK1存在的影响(n=6)。LN代表低硝酸盐(KNO₃),HN代表高硝酸盐(KNO₃)。在H和I中,数据为平均值±SEM。通过Duncan多重比较法确定统计分析(p < 0.05)。(J) OsGSK1-OsBZR3级联整合硝酸盐信号以调节OsJAZ4并影响下游细胞壁重塑,从而协调长期胁迫下水稻根系的盐恢复和稳态。P代表蛋白质磷酸化。实线箭头代表被证明具有正向调节作用的步骤,而实线平头箭头代表负向调节作用。虚线箭头代表需要进一步探索的机制步骤。

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研究创新性

  • 首次揭示养分信号与多重植物激素网络的整合机制: 尽管此前已有研究表明油菜素内酯(BR)和茉莉酸(JA)参与植物在盐胁迫下的生长恢复,但将这些激素通路与外部养分(硝酸盐)信号联系起来的底层分子机制一直是个谜。本研究首次揭示了一条将硝酸盐信号与BR-JA激素交互作用相整合的新型分子途径,填补了作物在长期盐渍环境下如何协调营养感知与激素响应的领域空白。

  • 鉴定出全新的耐盐与生长恢复分子调控枢纽: 研究首次在水稻中鉴定并确立了“OsGSK1-OsBZR3-OsJAZ4”这一全新的信号级联模块。该模块作为整合硝酸盐信号与盐胁迫响应的核心枢纽,清晰解析了从上游激酶(OsGSK1)的磷酸化修饰,到核心转录因子(OsBZR3)的活性调控,再到下游激素信号抑制因子(OsJAZ4)靶向激活的完整分子链条。

  • 拓展了盐胁迫下细胞壁重塑的传统认知框架: 当前关于盐胁迫下细胞壁功能的研究,主要局限于由FER受体激酶、LRXs等构成的细胞壁完整性(CWI)经典通路。本研究突破了这一传统框架,揭示了一条以前未被认识的全新途径:即BR信号能够作为桥梁,将高硝酸盐信号直接转化为根系细胞壁动态的重塑(包括细胞壁物理增厚、单糖组分改变以及纤维素和木质素的积累),进而限制Na⁺进入并维持细胞活力。

  • 阐明BR与JA通路在盐胁迫适应中的直接分子串扰: 研究不仅在表型和转录组水平上观察到激素间的协同作用,更提供了关键的直接生化证据:证实了BR信号通路的关键转录因子OsBZR3能够直接结合并激活JA信号通路核心抑制因子OsJAZ4的启动子。这一发现从分子层面确证了BR与JA在调控细胞壁修饰和根系盐恢复中的直接串扰(Crosstalk)机制。

  • 为耐盐作物分子育种提供了极具潜力的新型遗传靶点: 农业生产中“施氮缓解盐胁迫”的现象由来已久,但缺乏机制解释。本研究不仅从分子层面阐明了这一农学现象的本质,还明确界定了OsGSK1和OsBZR3作为盐胁迫恢复负调控因子的角色。这些新发现为未来通过基因编辑等现代生物技术培育高耐盐、高氮肥利用率的优良水稻品种,以及推进可持续绿色农业实践提供了全新的关键遗传靶点和坚实的理论支撑。

审核|林蘖亙阅读科研文献,荟萃前沿进展

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