油菜素内酯和茉莉酸调控拟南芥根系形态解剖特征缓解亚砷酸盐和砷酸盐胁迫的机制研究

本研究针对砷污染土壤中植物根系发育异常的关键问题，通过系统分析亚砷酸盐(AsIII)和砷酸盐(AsV)对拟南芥不同根系类型的影响，揭示24-表油菜素内酯(eBL)和茉莉酸甲酯(MeJA)通过差异调控根尖静止中心(QC)细胞分裂和维管形成层活性，分别促进侧根(ARs)/不定根(LRs)形成和木质部异位发生，为植物重金属胁迫响应提供新的激素调控靶点。

　　

砷作为有毒类金属元素在土壤中主要以亚砷酸盐(As^III)和砷酸盐(As^V)形式存在，严重威胁农作物安全生产。尽管植物已进化出多种解毒机制，但不同砷形态对根系发育的差异影响及其调控机制尚不明确。拟南芥作为模式植物，其根系系统包含初生根(PR)、侧根(LRs)和不定根(ARs)等不同类型，这些结构对砷胁迫的响应特征及植物激素的调控作用亟待解析。

北京某研究机构的研究团队在《Plant Science》发表论文，通过整合形态学、组织学和共聚焦显微技术，系统比较了As^III和As^V对拟南芥根系发育的影响，并揭示油菜素内酯(BRs)和茉莉酸(JAs)的协同/拮抗调控机制。研究发现As^III较As^V更显著抑制初生根伸长但促进不定根形成，这种差异与根尖静止中心(QC)细胞分裂模式改变密切相关。外源施加24-表油菜素内酯(eBL)可显著缓解As^III诱导的根尖异常，而茉莉酸甲酯(MeJA)则通过激活形成层细胞平周分裂促进木质部异位发生。该研究为作物抗砷育种提供了新的激素调控靶点。

研究采用拟南芥Col-0生态型为材料，通过垂直平板培养系统进行砷处理和激素处理。关键技术包括：1) 显微形态计量分析根系各区域长度和细胞参数；2) 树脂包埋切片与甲苯胺蓝染色观察组织学变化；3) 碘化丙锭(PI)染色结合共聚焦显微镜三维重建根尖结构；4) 离体培养系统定量分析不定根和侧根密度。

研究结果揭示：

1. 亚砷酸盐引发下胚轴基部卷曲
   As^III处理导致75-80%幼苗下胚轴基部发生特异性卷曲，表皮和皮层细胞呈现不对称伸长，该现象不受eBL或MeJA处理影响。

2. 砷形态差异性抑制下胚轴伸长
   As^III和As^V分别使下胚轴长度减少22%和14%，eBL单独处理可促进伸长但无法逆转砷诱导的抑制效应。

3. 初生根伸长受As^III特异性抑制
   As^III较As^V更显著抑制初生根生长(缩短约50%)，共聚焦显微显示其根尖分生组织长度减少38%，伸长区细胞分化提前。

4. eBL促进不定根发生
   eBL与As^III协同使不定根密度增加2倍，组织学显示该处理使80%不定根原基(ARPs)保持正常QC结构。

5. 侧根形成受As^III特异性促进
   As^III使侧根密度增加3.5倍，但共聚焦显示40%侧根尖存在细胞损伤，eBL处理可恢复其正常分裂模式。

6. 根尖分生组织异常模式
   As^III诱导QC细胞异常平周分裂，而As^V主要导致QC细胞数量减少，eBL处理可特异性修复As^III诱导的缺陷。

7. 形成层平周分裂的防御机制
   MeJA与As^V协同使下胚轴形成层增殖区域扩大54%，诱导木质部异位发生，该过程与不定根形成呈竞争关系。

讨论部分指出，该研究首次揭示BRs和JAs通过差异调控根系发育程序来应对不同砷形态胁迫：eBL通过维持根尖干细胞活性促进分枝根系形成，而MeJA通过激活形成层增殖构建机械屏障。这种"分枝根系-木质部屏障"的双重防御策略为理解植物重金属抗性提供了新视角。特别值得注意的是，As^III和As^V虽同为砷的存在形式，但通过干扰不同发育通路产生差异效应，这对农田砷污染修复作物的选育具有重要指导意义。研究还提出BR-JA信号交叉调控模型，为植物激素网络响应非生物胁迫的理论研究开辟了新途径。