生长素的“好帮手”：rolA 基因如何让植物细胞更健康

“毛状根”综合征是由根瘤菌（Rhizobium rhizogenes）的 Ri 质粒引起的，这种质粒含有促进根发育的 rol 基因。其中，rolA 基因对植物次生代谢和生长发育有重要影响，但其具体功能尚不明确。研究发现，rolA 基因的表达与生长素（IAA）密切相关，并且可能通过调节 ROS 代谢影响植物细胞的生理活动。

一项发表于《Planta》杂志的研究发现，发根农杆菌（Rhizobium rhizogenes）的rolA基因在茜草（Rubia cordifolia L.）细胞培养中，以生长素依赖的方式调节活性氧（ROS）稳态，并对次生代谢产生影响。该研究由Galina N. Veremeichik等人完成，为深入理解植物基因功能及代谢调控提供了重要依据。

研究内容

图 1 基于pRiA4质粒的rolA基因结构及检测到的突变的简化示意图

研究人员首先对长期培养的rolA转基因茜草愈伤组织进行分析，如图1所示，在rolA基因的编码区和5’非翻译区检测到单核苷酸多态性（SNP），不过这些突变对RolA蛋白关键氨基酸无影响，且突变表达量极低，表明突变并非导致次生代谢变化的原因。随后，在rolA基因启动子区域发现生长素介导的转录因子结合基序ACTTTA，这一发现揭示了rolA基因表达可能受生长素调控。

图 2 新生成的rolA转基因Rubia cordifolia愈伤组织的生成及比较分析

为验证这一假设，研究人员构建新的遗传载体转化茜草细胞，得到新的rolA转基因细胞系RAN。图2展示了新遗传构建体的结构，以及不同细胞系在不同培养基中的生长和rolA基因表达情况，从图中可直观看到添加IAA后基因表达的变化趋势。实验表明，在无植物生长调节剂（PGR）培养基中，RAN和长期培养的RA细胞系中rolA基因表达量较高，添加生长素IAA后，两者表达量进一步增加，证实rolA基因表达具有生长素依赖性。

图 3 不同组中蒽醌（AQ）的含量和种类分析比较

对AQ含量分析发现，RA和RAN细胞系中AQ含量分别是对照的35倍和2.4倍，且AQ衍生物种类更丰富。这表明rolA基因表达能促进AQ生物合成，其机制可能与rolA基因表达对IAA生物合成和代谢的调节有关，因IAA和AQ都源于共同前体分支酸。

图 4 R.cordifolia细胞中ROS的积累 

如图4，在ROS代谢方面，研究发现RA和RAN细胞系中ROS水平比对照降低20%。进一步分析ROS代谢相关基因表达，结果显示，rolA基因表达使ROS生成基因RcRboh1和ROS清除基因（如RcCSDs、RcApx2、RcCat1）表达下调，IAA处理会增强该效应。

综合研究结果，研究人员推测rolA基因的生长素依赖表达可抑制rolB基因表达，阻止rolB诱导的生长素敏感性和氧化爆发，进而平衡细胞状态。不过，该研究目前仅在细胞培养水平进行，后续还需在完整植株水平进一步验证，以明确RolA对植物ROS代谢、生长素稳态的影响及rolA基因的进化作用。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s00425-024-04597-7