文章作者：高雅迪 秦华

发表单位：中国农业科学院生物技术研究所

中文核心期刊： 中国农业科技导报

研究背景：

转录调控能够改变基因表达水平，进而调控生物自身生长发育以及响应逆境胁迫。目前水稻中鉴定到 2300个转录调控因子，按照蛋白结构它们被分为不同的家族，如 MYC 家族、 MYB 家族、WＲKY 家族、AP2/EＲEBP 家族和TALE 家族。其中，TALE 家族包含两个亚家族: KNOX 和 BELL。 BELL 家族在水稻根系发育及逆境胁迫应答中的功能还有待研究。

研究思路

本研究通过与拟南芥序列比对，在水稻中鉴定到 4 个 BELL4同源基因，并对它们同源基因的启动子元件进行了分析。进一步又对水稻幼苗根中BELL4同源基因在不同激素和非生物胁迫处理条件下的表达模式进行了分析。同时利用OsBELL4的干扰材料分析了其在水稻根系发育中的功能及其与 WOX 家族间的调控关系。

背景知识

1：植物根系是植物与土壤接触的部分，也是研究植物适应环境，应对逆境胁迫的理想模型，对植物整个生长发育过程都起着重要作用。

2：BELL家族成员在分生组织和花器官发育、芽尖分生组织的起始和维持、叶片发育、开花、卵细胞分化和珠被发育等生物学过程中发挥重要的功能。

主要结果：

1：水稻中BELL4的启动子中含有响应脱落酸、乙烯、赤霉素和生长素的元件

对水稻BELL4同源基因起始密码子 ATG 上有2kb 启动子区域进行分析，发现4个基因的启动子中含有响应脱落酸、乙烯、赤霉素和生长素的元件，表明 BELL 蛋白水稻中中发挥功能受到植物激素或者外界环境的 调控

图注：BELL4 基因启动子序列分析

2：不同激素对水稻根系中 BELL4 同源基因的影响

图注：不同激素处理下水稻 BELL4 同源基因的表达分析

水稻根系在100 μmol/L IAA 、ACC处理下，OsBELL4B、OsBELH4A、 OsBELH4A 和 OsBELH4B的表达量迅速下调，在 10 μmol/L GA3处理下，OsBELL4B 和 OsBELH4A的表达量急剧下调， OsBELHB 表达量显著升高。ABA 对于OsBELH4A 和 OsBELH4B 表达的促进作用并不明显，且抑制12 h 部分解除。说明水稻根系中的 BELL4 同源基因均能快速响应响应乙烯、生长素、赤霉素及脱落酸等植物激素。

3：非生物胁迫对水稻根系中 BELL4 同源基因的影响

图注：干旱、低温和盐处理条件下水稻 BELL4 同源基因的表达模式分析

对日本晴幼苗根系进行干旱、低温及盐处理，干旱处理抑制了 OsBELL4A 和 OsBELH4A 表达，而诱导 OsBELH4B 的表达，对 OsBELL4B 的表达无显著影响。在低温胁迫下 OsBELL4A 和 OsBELL4B 的基因表达有上调的趋势，后期表达量又会受到抑制，而 OsBELH4A 和 OsBELH4B 则一直呈现下调的趋势。在盐胁迫下，OsBELH4A和 OsBELH4B分别在胁迫0.5 h和6 h出现了上调趋势， OsBELL4A 和 OsBELL4B 基因表达都呈下调趋势。这种不同的表达模式说明水稻根中BELLE同源基因参与这些激素信号介导的生长发育进程及抗逆性。

4：OsBELL4A ＲNAi 干扰转基因植株的表型分析及其 WOX 家族基因的表达分析

图注：OsBELL4A 的 ＲNAi 干扰转基因植株苗期根表型

OsBELL4A 的 ＲNAi 干扰转基因植株的根系生长情况与野生型( NIP) 有较明显的差异，表明OsBELL4A 参与调控水稻幼苗根系的发育，抑制OsBELL4A 的表达可以促进冠根的发育并延缓初生根的伸长。

图注：OsWOX 基因家族在 OsBELL4A ＲNAi转基因植株中的表达水平

OsBELL4A 的两个干扰株系 ＲI-49 和ＲI-58都表现出冠根数量增加而主根的长度下降的表型，并且在这两个株系中OsWOX9 的表达量都较 野生型有明显的增 加，说明 OsBELL4A对OsWOX9基因表达的调控很有可能是导致 OsBELL4A ＲNAi干扰转基因植株冠根数增加的 原因。

结论：

BELL 家族基因在水稻根系中参与多种植物激素信号转导及逆境胁迫应答反应，并且 OsBELL4A 在水稻根发育中起到调控作用，这种作用与 OsWOX 家族基因表达有很大相关性。该研究丰富了 BELL 家族基因的功能，为探究 BELL家族在水稻根系发育及逆境胁迫应答中的功能奠定基础。