赤霉素和油菜素内酯在水稻适应缺铁胁迫中作用机制研究

Iron (Fe) is one of the essential nutrients required for plant growth and development. Plant growth is often limited by low availability of Fe in soil due to its low solubility, especially in calcareous soils. Iron deficiency is a main factor limiting rice production and rice grain quality. Gibberellin (GA) and brassinosteroid (BR) are important plant hormones involved in a wide range of biological processes, including plant growth, development, environmental response and production, but little information is available about their effects on Fe acquisition, translocation and allocation in rice. In this project, wild type (WT), mutants related to GA and BR biosynthesis and signal transduction are used to investigate the roles of GA and BR in Fe uptake, translocation and allocation, and to dissect the network associated with their signal transduction pathways in response to Fe status. The outcome will contribute to mechanistic understanding the function of GA and BR in plant Fe nutrition, and further application of the GA and BR knowledge in rice to improve Fe use efficiency, production and grain quality.

铁是植物生长必需的矿质元素，在中性和石灰性土壤中铁的有效性显著降低。土壤铁的有效性与水稻产量和籽粒品质密切相关。植物激素赤霉素和油菜素内酯在调控水稻生长发育、形态建成和产量方面发挥着重要的作用。近些年有研究暗示二者也可能参与了植物的矿质养分吸收和利用过程。我们前期的研究结果证明这两种激素参与了水稻铁营养过程，但其机理尚不清楚。因此，在我们前期的工作基础上，本项目将充分利用赤霉素和油菜素内酯合成代谢、信号传递相关的水稻突变体材料，系统研究赤霉素和油菜素内酯在水稻铁吸收、运输和铁向籽粒转移过程中单独的和相互的作用；揭示二者在水稻不同生育期铁吸收、运输和铁向籽粒转移过程中的生物学机制；解析赤霉素和油菜素内酯在水稻缺铁信号传递过程中的调控关系。研究成果有助于发现赤霉素和油菜素内酯的新功能，丰富植物铁营养调控机制，为提高水稻铁的利用效率和籽粒品质提供新途径。

植物激素赤霉素和油菜素内酯在水稻株形发育中发挥着重要作用，它们合成或信号转导途径受到抑制后能显著抑制株高，提高抗倒伏能力，增加产量。最新的研究表明，虽然赤霉素含量降低后能抑制水稻株高，但赤霉素降低后却显著降低了水稻对氮肥的利用效率。这不但提高了生产成本，并且增加了对生态环境造成污染的风险。铁是植物必需的矿质元素，在水稻产量和籽粒品质中发挥着重要作用，因此本项目以水稻野生型及其与赤霉素或油菜素内酯合成代谢相关的突变体为材料，研究了赤霉素和油菜素内酯在铁营养中的作用及其生物学机制。我们的研究结果表明，在水稻野生型和突变体中，不论是外源还是内源的赤霉素增加都加速了缺铁诱导的水稻叶片黄化现象，赤霉素合成受抑制后能显著增加水稻地上部的铁含量，进一步的研究表明，赤霉素通过调控与铁吸收、运输和分配相关的基因参与水稻铁的营养过程。除铁之外，不论是外源还是内源赤霉素的增加都显著增加了水稻地上部对铵毒的敏感性。赤霉素加速了水稻根系对铵离子的吸收，并且显著增加了水稻地上部腐胺的含量，提高了腐胺/（精胺+亚精胺）的比例，从而增加了水稻地上部的铵毒害症状。和赤霉素类似，不论是外源还是内源的油菜素内酯增加都加速了水稻叶片的缺铁症状，油菜素内酯降低后降低了水稻对缺铁的敏感性，油菜素内酯通过调控铁吸收、运输和分配相关的生理过程参与可水稻的铁营养过程。由于磷和铁元素存在强烈的交互作用，我们的研究结果表明，油菜素内酯还参与调控了水稻磷元素的吸收和利用过程，油菜素内酯可能通过调控磷的吸收利用，进而间接影响水稻对铁的利用过程。这些研究结果表明赤霉素和油菜素内酯在水稻的矿质元素利用中发挥着重要的作用，对其内在生物学机制的解析能为可持续发展农业模式下培育养分高效高质的水稻品种提供一定的理论依据