水稻SPL5基因在抗病應(yīng)答中負(fù)調(diào)控5-羥色胺的生物合成
本研究是由浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院完成，本文的通訊作者是馬伯軍教授。
背景簡介
超敏反應(yīng)（hypersensitive response，HR）是一種植物特有的防御機(jī)制，是指植物在受到病原菌侵染后，在侵染部位誘發(fā)細(xì)胞死亡，從而有效阻止病原菌增殖的防衛(wèi)反應(yīng)。水稻spl5（spotted leaf 5）突變體能自發(fā)產(chǎn)生類似HR的細(xì)胞壞死斑（lesion），并顯著性增強(qiáng)對病原菌的抗性，表明SPL5基因在細(xì)胞死亡和抗病應(yīng)答中起負(fù)調(diào)控的作用，但是SPL5介導(dǎo)的調(diào)控途徑及其分子機(jī)制尚不清楚。
文章亮點(diǎn)
本研究利用基因芯片技術(shù)，分析了水稻spl5突變體與野生型對照葉片組織的轉(zhuǎn)錄組水平，發(fā)現(xiàn)幾百個基因在spl5突變體中的表達(dá)上調(diào)或下調(diào)，其中有相當(dāng)一部分基因的功能與生物性防御反應(yīng)或活性氧代謝有關(guān)。同時，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)以及qPCR的驗(yàn)證，都表明1個轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY14基因和5-羥色胺（Serotonin）生物合成的關(guān)鍵酶基因，鄰氨基苯甲酸合成酶（AS），吲哚-3-甘油磷酸合成酶（IGP），色氨酸合成酶（TS）和色氨酸脫羧酶（TDC），在spl5突變體均顯著性上調(diào)。有文獻(xiàn)曾報道水稻OsWRKY14正調(diào)控TS和TDC基因的表達(dá)。因此，推測OsWRKY14很可能調(diào)節(jié)5-羥色胺的生物合成生產(chǎn)。高效液相色譜（HPLC）測定進(jìn)一步證實(shí)spl5突變體中5-羥色胺的含量顯著性高于野生型。
由于5 -羥色胺在植物抗病應(yīng)答中起著至關(guān)重要的作用，它可以激活下游PR（Pathogen related）基因的表達(dá)。所以，spl5突變體中5 -羥色胺含量的升高很可能是其抗病性增強(qiáng)的原因之一，SPL5基因作為負(fù)調(diào)控因子，通過轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY14調(diào)節(jié)5 -羥色胺的生物合成，從而介導(dǎo)了水稻的抗病應(yīng)答。本研究中Affymetrix rice 44k gene chips的技術(shù)服務(wù)由上海伯豪提供。
結(jié)果解析
本研究分別比較了spl5突變體的少壞死斑葉片（few lesion, FL）、多壞死斑葉片（more lesion, ML）與野生型對照葉片（WT）間的轉(zhuǎn)錄組水平差異，在spl5-FL中檢測到243個差異表達(dá)基因（176上調(diào)，67下調(diào)），在spl5-ML檢測到896個（445上調(diào)，451下調(diào)），208個差異表達(dá)基因是spl5-FL和spl5-ML中共有的，涉及20類不同的生物學(xué)功能，包括其中防衛(wèi)應(yīng)答、氧化還原、逆境脅迫、氨基酸代謝等等。
根據(jù)芯片數(shù)據(jù)和qPCR驗(yàn)證，表明5-羥色胺生物合成的關(guān)鍵酶基因：鄰氨基苯甲酸合成酶（AS）、吲哚-3-甘油磷酸合成酶（IGP）、色氨酸合成酶（TS）和色氨酸脫羧酶（TDC），及其轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY14基因在spl5突變體均顯著性上調(diào)。
利用高效液相色譜技術(shù)，檢測了spl5突變體和野生型中5-羥色胺（Serotonin）及其前體色氨酸（Tryptophan）的含量，結(jié)果表明Tryptophan與Serotonin的含量在spl5突變體中顯著性上調(diào)。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對SPL5基因調(diào)控機(jī)制提出了一個可能的模型：SPL5基因負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY14的表達(dá)，通過OsWRKY14介導(dǎo)水稻5-羥色胺的生物合成，5-羥色胺的積累促進(jìn)PR基因的表達(dá)，從而激活水稻的抗病應(yīng)答反應(yīng)。
原文出處：Bin Jin, Xinru Zhou, Baolin Jiang, Zhimin Gu, Pinghua Zhang, Qian Qian, Xifeng Chen and Bojun Ma. Transcriptome profiling of the spl5 mutant reveals that SPL5 has a negative role in the biosynthesis of serotonin for rice disease resistance. Rice. 2015, 8: 18
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