基于 U-Gompertz 模型解析 OsRGA1 调控水稻幼苗通气组织形成与不定根生长的机制

为探究水稻通气组织动态形成过程及其与根生长的关系，扬州大学研究人员优化 Gompertz 模型，以野生型、OsRGA1 敲除和过表达系为材料开展研究。结果表明，OsRGA1 通过提高 H2O2水平加速通气组织形成，促进根生长，该研究为水稻抗逆研究提供理论依据。

　　在神秘的植物世界里，水稻作为全球重要的粮食作物，其生长过程充满奥秘。在水淹环境下，水稻不定根中的通气组织（aerenchyma）就像一条条秘密通道，能帮助氧气从根基部运输到根尖，满足水稻呼吸需求，对其生存意义重大。不仅如此，通气组织还能减少气体运输阻力，降低呼吸消耗，提升水稻的抗逆性和产量。然而，传统研究通气组织形成的方法，如组织切片，需要耗费大量时间和人力，难以全面深入地揭示其动态形成过程。而计算机扫描成像技术虽能快速观察根内部结构，但在三维数据处理和可视化方面存在局限，无法对通气组织进行有效定量分析。此外，已有的数学模型，像w0 -Gompertz 和 Ti-Gompertz 模型，部分参数缺乏直观生物学解释，难以准确描述通气组织形成动态特征。在基因调控方面，虽然已知多个基因参与通气组织形成过程，但具体机制仍不明确，比如 OsRGA1 基因在其中扮演何种角色，这一系列问题都亟待解决 。

为了攻克这些难题，扬州大学的研究人员挺身而出。他们以野生型日本晴（Nipponbare，NIP）、OsRGA1 敲除突变体 rga1 - 5 和过表达系 RGA1 - OE1 为实验材料，借助 MATLAB 软件优化 Gompertz 模型，深入研究水稻不定根通气组织形成的动态过程、根的形态和生理特征、H₂O₂含量、酶活性以及基因表达水平在不同阶段的变化。最终，研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为水稻研究领域带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过水培实验，在可控环境下培育水稻幼苗，为后续实验提供稳定的样本来源。接着，利用解剖观察技术，对水稻不定根进行处理，制作根横截面切片，借助显微镜观察并拍照，再使用 ImageJ 软件测量根横截面面积和通气组织面积，计算通气组织百分比（Aerenchyma Percentage，AP）。然后，运用优化的 U - Gompertz 模型对 AP 数据进行拟合分析，确定模型参数，以此描述通气组织形成动态过程。此外，还采用了多种生理指标测定技术，如用 TTC 还原法测量根活性（Root activity，ROA）、钛柠檬酸盐法测量径向氧损失（Radial oxygen loss，ROL）、试剂盒法测定 H₂O₂含量、分光光度法测定过氧化氢酶（Catalase，CAT）和过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性。最后，运用定量分析基因表达水平技术，提取水稻不定根总 RNA，反转录成 cDNA 后进行实时荧光定量 PCR（qPCR）检测。

下面来看看具体的研究结果：

• 优化 Gompertz 模型：原有的w0 -Gompertz 和 Ti - Gompertz 模型在描述通气组织形成动态过程存在不足。研究人员基于 Ti - Gompertz 模型对参数 B 重新参数化，开发出 U - Gompertz 模型。该模型中，参数 A 代表 AP 最大值，参数 B 代表通气组织最大形成速率，参数 C 代表通气组织形成达到拐点时距根尖的距离。与原模型相比，U - Gompertz 模型所有参数都能直接刻画通气组织形成动态过程，为研究提供了更有力的工具。
• 通气组织形成过程拟合：研究人员对三种基因型水稻不定根不同距离的根尖制作横截面，观察发现通气组织起始和达到最大 AP 的距离在不同基因型间存在差异。用 U - Gompertz 模型分析 AP 数据，结果显示 RGA1 - OE1 中通气组织形成的最大值（参数 A）和最大形成速率（参数 B）比 NIP 增加，而 rga1 - 5 中则降低。并且，RGA1 - OE1 的起始点（InP）、最大加速点（MAP）、拐点（IP）、最大减速点（MDP）和最大值点（MVP）均提前，rga1 - 5 这些关键点延迟，表明 OsRGA1 对水稻不定根通气组织形成至关重要。
• 通气组织形成对根生长的影响：对比 NIP，RGA1 - OE1 地上部分生物量、地下部分生物量、总根长、最大根长、根体积、根活性和根径向氧损失等形态和生理特征均增加，rga1 - 5 则降低。主成分分析（PCA）表明，通气组织最大形成值和最大形成速率与根性状呈正相关，说明通气组织形成有助于改善水稻根生长。
• 过氧化氢信号动态特征：根据通气组织形成的五个时期（P1 - P5）对根进行分段研究，发现不同基因型在根尖（无通气组织形成处）的 ROA 和 H₂O₂含量存在显著差异。ROA 在通气组织形成过程中先升后降，rga1 - 5 在 P2 - P5 的 ROA 显著低于 NIP，RGA1 - OE1 在 P2 的 ROA 显著高于 NIP。P2 时期，rga1 - 5 的 H₂O₂含量低于 NIP，RGA1 - OE1 高于 NIP。同时，参与 H₂O₂消除的 CAT 和 POD 活性在 P4 最高，rga1 - 5 在 P2 - P5 的这两种酶活性显著高于 NIP，RGA1 - OE1 在 P2 显著降低。此外，RGA1 - OE1 中呼吸爆发氧化酶同源基因（RBOH）在 P1 - P2 的相对表达量高于 NIP，rga1 - 5 在 P1 - P3 低于 NIP；金属硫蛋白 - 2b（MT2b）在 P1 时，rga1 - 5 表达量高，RGA1 - OE1 表达量低。综合这些结果表明，OsRGA1 通过调节 H₂O₂积累和消除，影响通气组织形成。

研究结论和讨论部分指出，U - Gompertz 模型为快速高效评估通气组织形成动态提供了有效工具，它克服了以往模型的局限性，能更精准地描述这一过程。OsRGA1 主要通过促进 RBOH 表达、降低 MT2b 表达、抑制 CAT 和 POD 活性，调节 H₂O₂介导的皮层细胞死亡，增加不定根中 H₂O₂含量，特别是在通气组织形成从起始点到拐点的时期，从而促进通气组织发育，提升根活性，改善水稻根生长。这一研究成果不仅揭示了 OsRGA1 在水稻通气组织形成中的重要作用机制，还为水稻抗逆性研究提供了重要理论依据，有助于培育更适应水淹环境的水稻品种，对保障粮食安全具有重要意义。然而，研究人员也指出，通气组织形成与水稻不定根生理功能之间的关系仍需进一步深入研究，这也为后续科研工作指明了方向。