文章標題：A high trans-zeatin nucleoside concentration in corms may promote the multileaf growth of Amorphophallus muelleri

發表期刊：Frontiers in Plant Science

影響因子：6.627

作者單位：昆明學院

百趣提供服務：植物激素高通量靶標定量

1.百趣代謝組學分享-研究背景

葡甘露聚糖(Glucomannan)是一種天然高分子多糖，吸水性強、溶脹率高、熱值低，因此具有減肥、抗糖尿病和抗氧化特性的藥理作用。代謝組學文獻分享，彌勒珠芽魔芋(Amorphophallus muelleri)中葡甘露聚糖含量高達60%-75%，是優良的魔芋品種之一。代謝組學文獻分享，此外，彌勒珠芽魔芋具有多葉依次生長，共同喂養一個球莖的特點（圖1），這提高了球莖的膨脹系數，縮短了種植時間，增大了經濟效益。

然而，彌勒珠芽魔芋如何實現多葉依次生長的機制尚不清楚。由于植物激素與植物的休眠和萌發密切相關，且很少有研究涉及觸發珠芽魔芋多葉生長的激素模式。

代謝組學文獻分享，本文作者以彌勒珠芽魔芋為研究對象進行了植物激素高通量靶標檢測（由上海百趣生物提供服務），涉及5種細胞分裂素(Cytokinins, CK)——激動素(kinetin, KT)、N6-(D2-異戊烯基)腺苷(N6-(D2-isopentenyl) adenosine, iP)、異戊烯基腺苷(isopentenyladenosine, iPA)、反式玉米素(trans-zeatin, tZ)、反式玉米素核苷(Trans-zeatin riboside, tZR)，探討了細胞分裂素與生長素(Indole-3-acetic acid, IAA)和脫落酸(Abscisic acid, ABA)在珠芽魔芋腋芽生長過程中的相互作用。
 

圖1. 彌勒珠芽魔芋多葉生長模式示意圖

2.百趣代謝組學分享-技術路線

圖2. 文章的技術路線

3.百趣代謝組學分享-研究結果 （1）彌勒珠芽魔芋生長周期中細胞分裂素水平的變化

為了研究不同生長階段球莖和葉片中細胞分裂素的變化，測定了不同生長階段球莖和葉片中KT、tZR、tZ、iP和iPA的含量（圖3）。代謝組學文獻分享，球莖中的KT、tZR和tZ在第一葉萌發和成熟期呈增長趨勢。然而，iP和iPA則表現出完全相反的趨勢，休眠期含量最高，出芽后顯著下降，這種趨勢直到倒伏期才逆轉。

球莖中的tZR含量變化最劇烈，在第二葉萌發期達到峰值2637.18nmoL/kg，是休眠期的5000多倍。代謝組學文獻分享，與球莖相比，葉片中大多數類型的細胞分裂素整體呈現出含量相對較低且變化程度較小。葉片中KT含量在第二葉發育期最高，為90.47nmol/Kg，也是葉片中含量最高的細胞分裂素。
 

圖3. 不同類型的細胞分裂素在球莖和葉片中的濃度變化

（2）外施iP對生長性狀及不同組織iP、tZR、IAA、ABA含量的影響

為了探討休眠球莖中iP型細胞分裂素含量高的原因，作者用不同濃度的iP溶液處理休眠期的球莖。在生長性狀方面，100mg/LiP處理顯著提高了芽和根的長度（表1，圖4A）。測定發芽期根、球莖、芽中激素含量的結果表明，iP處理顯著增加了芽、球莖和根中的iP含量（圖4B）。代謝組學文獻分享，其中，芽中iP含量為838.5nmoL/kg，分別是球莖和根的30.79倍和22.46倍，約占植株中iP總含量的93%。

此外，芽中的tZR含量顯著高于對照，而球莖和根中的tZR含量與對照差異不顯著。值得關注的是，iP處理提高了球莖和根中的IAA含量，但50mg/L的iP處理對芽中的IAA含量有明顯的抑制作用。此外，iP處理對各組織中ABA含量的影響也是不一致的，iP處理顯著降低了芽和根中的ABA含量，但顯著提高了球莖中的ABA含量（圖4B）。

表1. IP施用對彌勒珠芽魔芋生長發育特征的影響

圖4. 外施iP對生長性狀(A)及不同組織的iP、tZR、IAA和ABA含量的影響(B)

（3）細胞分裂素生物合成和代謝途徑中關鍵基因的表達
為了探索細胞分裂素在彌勒珠芽魔芋整個生長周期生物合成中的轉錄調控，作者檢測了iP或iPR（iP的一種核苷）合成過程中腺苷酸異戊烯基轉移酶(isopentenyltransferase, IPT)和LOG(LONELY GUY, 一種酶)的基因表達，并測定了tZ或tZR合成過程CYP735A的表達（圖5）。代謝組學文獻分享，與第一葉成熟期相比，IPT3和IPT5在第二葉成熟期的表達顯著上調。

在第二葉萌發期，本研究檢測到的所有IPTs與非萌發期相比沒有顯著變化，但CYP735A1和CYP735A2的表達與非萌發期相比均顯著上調，所有LOGs的表達與非萌發期相比雖均有所增加，但變化不顯著。細胞分裂素氧化酶/脫氫酶(cytokinin oxidase/dehydrogenase, CKX)和UGT分別是iP和tZ代謝的關鍵酶。CKX3、CKX5、CKX6和UGT75L6的表達隨著第二片葉的萌發逐漸上升。
 

圖5. 細胞分裂素生物合成和代謝途徑概述 （4）魔芋生長周期中IAA和ABA的變化

球莖IAA含量在第二葉萌發期顯著升高，達到峰值2816.94nmol/kg，比休眠期高6.59倍，比同期葉片高10.83倍（圖6A）。代謝組學文獻分享，同第二葉萌發期IAA的高含量一致，與IAA生物合成和轉運相關的基因，如吲哚-3乙醛氧化酶(AO1)和生長素外排載體PIN1A，在同一時期呈現出相對較高的表達水平（圖6C）。

從ABA的變化來看，休眠球莖中ABA含量最高，隨著葉芽的萌發，ABA含量大幅下降，僅為休眠期的26%（圖6B）。與ABA含量的變化趨勢相似，ABA生物合成限速酶基因NCED1的表達在第二葉萌發期也受到抑制。相反，與ABA降解相關的基因，如類胡蘿卜素裂解雙加氧酶(carotenoid cleavage dioxygenase, CCD)，或ABA受體的競爭性抑制劑，如蛋白磷酸酶(protein phosphatase, PP2C51)，在第二葉萌發期表達上調（圖6D）。
 

圖6. IAA(A)和ABA(B)在彌勒珠芽魔芋生長周期中的含量變化趨勢及參與IAA(C)和ABA(D)信號通路的轉錄本的表達譜

4.百趣代謝組學分享-結論
本研究測定了與葉萌發密切相關的植物激素水平，經分析發現，在第二葉萌發期，球莖中tZR的含量比休眠期增加了5000多倍，這可能是促進第二葉萌發的關鍵因素。代謝組學文獻分享，雖然合成tZR前體的CYP735A1和CYP735A2的表達在第二葉萌發期升高，但在細胞分裂素生物合成中起關鍵作用的IPT的表達沒有顯著變化。與此同時，同期葉片中大部分細胞分裂素含量顯著低于球莖。

因此作者推測不是球莖中從頭生物合成形成的球莖中高細胞分裂素含量。此外，在第二葉萌發期，球莖中的IAA含量也顯著增加，AO1和PIN1A在同一時期呈現出較高的表達水平。相比之下，ABA含量和NCED1（ABA生物合成中的限速酶）的表達在第二葉萌發期受到抑制。代謝組學文獻分享，值得一提的是，iP在休眠期球莖中含量較高，在第一葉萌發期后顯著下降，這與tZR的趨勢完全不同。通過用iP處理休眠球莖，芽和根長度方面的生長性能顯著高于對照，這意味著iP型細胞分裂素傾向于在促進第一葉萌發中發揮作用。

本研究結果揭示了彌勒珠芽魔芋激素的時空變化規律，為第二葉萌發過程中主要激素的轉錄調控提供新見解，這項工作有助于了解激素在多葉生長型魔芋中的作用。