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

发表期刊：Frontiers in Plant Science

影响因子：6.627

作者单位：昆明学院

百趣提供服务：植物激素高通量靶标定量

1.代谢组学分享-研究背景

葡甘露聚糖(Glucomannan)是一种天然高分子多糖，吸水性强、溶胀率高、热值低，因此具有减肥、抗糖尿病和抗氧化特性的药理作用。弥勒珠芽魔芋(Amorphophallus muelleri)中葡甘露聚糖含量高达60%-75%，是优良的魔芋品种之一。此外，弥勒珠芽魔芋具有多叶依次生长，共同喂养一个球茎的特点（图1），这提高了球茎的膨胀系数，缩短了种植时间，增大了经济效益。代谢组学分享，然而，弥勒珠芽魔芋如何实现多叶依次生长的机制尚不清楚。由于植物激素与植物的休眠和萌发密切相关，且很少有研究涉及触发珠芽魔芋多叶生长的激素模式。

本文作者以弥勒珠芽魔芋为研究对象进行了植物激素高通量靶标检测（由上海百趣生物提供服务），涉及5种细胞分裂素(Cytokinins, CK)——激动素(kinetin, KT)、N6-(D2-异戊烯基)腺苷(N6-(D2-isopentenyl) adenosine, iP)、异戊烯基腺苷(isopentenyladenosine, iPA)、反式玉米素(trans-zeatin, tZ)、反式玉米素核苷(Trans-zeatin riboside, tZR)，探讨了细胞分裂素与生长素(Indole-3-acetic acid, IAA)和脱落酸(Abscisic acid, ABA)在珠芽魔芋腋芽生长过程中的相互作用。

图1. 弥勒珠芽魔芋多叶生长模式示意图

2.代谢组学分享-技术路线

图2. 文章的技术路线

3.代谢组学分享-研究结果

（1）弥勒珠芽魔芋生长周期中细胞分裂素水平的变化

为了研究不同生长阶段球茎和叶片中细胞分裂素的变化，测定了不同生长阶段球茎和叶片中KT、tZR、tZ、iP和iPA的含量（图3）。球茎中的KT、tZR和tZ在第一叶萌发和成熟期呈增长趋势。代谢组学分享，然而，iP和iPA则表现出完全相反的趋势，休眠期含量最高，出芽后显著下降，这种趋势直到倒伏期才逆转。球茎中的tZR含量变化最剧烈，在第二叶萌发期达到峰值2637.18nmoL/kg，是休眠期的5000多倍。与球茎相比，叶片中大多数类型的细胞分裂素整体呈现出含量相对较低且变化程度较小。代谢组学分享，叶片中KT含量在第二叶发育期最高，为90.47nmol/Kg，也是叶片中含量最高的细胞分裂素。

图3. 不同类型的细胞分裂素在球茎和叶片中的浓度变化

（2）外施iP对生长性状及不同组织iP、tZR、IAA、ABA含量的影响

为了探讨休眠球茎中iP型细胞分裂素含量高的原因，作者用不同浓度的iP溶液处理休眠期的球茎。在生长性状方面，100mg/LiP处理显著提高了芽和根的长度（表1，图4A）。测定发芽期根、球茎、芽中激素含量的结果表明，iP处理显著增加了芽、球茎和根中的iP含量（图4B）。其中，芽中iP含量为838.5nmoL/kg，分别是球茎和根的30.79倍和22.46倍，约占植株中iP总含量的93%。代谢组学分享，此外，芽中的tZR含量显著高于对照，而球茎和根中的tZR含量与对照差异不显著。值得关注的是，iP处理提高了球茎和根中的IAA含量，但50mg/L的iP处理对芽中的IAA含量有明显的抑制作用。此外，iP处理对各组织中ABA含量的影响也是不一致的，iP处理显著降低了芽和根中的ABA含量，但显著提高了球茎中的ABA含量（图4B）。

表1. IP施用对弥勒珠芽魔芋生长发育特征的影响

图4. 外施iP对生长性状(A)及不同组织的iP、tZR、IAA和ABA含量的影响(B)

（3）细胞分裂素生物合成和代谢途径中关键基因的表达

为了探索细胞分裂素在弥勒珠芽魔芋整个生长周期生物合成中的转录调控，作者检测了iP或iPR（iP的一种核苷）合成过程中腺苷酸异戊烯基转移酶(isopentenyltransferase, IPT)和LOG(LONELY GUY, 一种酶)的基因表达，并测定了tZ或tZR合成过程CYP735A的表达（图5）。与第一叶成熟期相比，IPT3和IPT5在第二叶成熟期的表达显著上调。代谢组学分享，在第二叶萌发期，本研究检测到的所有IPTs与非萌发期相比没有显著变化，但CYP735A1和CYP735A2的表达与非萌发期相比均显著上调，所有LOGs的表达与非萌发期相比虽均有所增加，但变化不显著。细胞分裂素氧化酶/脱氢酶(cytokinin oxidase/dehydrogenase, CKX)和UGT分别是iP和tZ代谢的关键酶。CKX3、CKX5、CKX6和UGT75L6的表达随着第二片叶的萌发逐渐上升。

图5. 细胞分裂素生物合成和代谢途径概述

（4）魔芋生长周期中IAA和ABA的变化

球茎IAA含量在第二叶萌发期显著升高，达到峰值2816.94nmol/kg，比休眠期高6.59倍，比同期叶片高10.83倍（图6A）。代谢组学分享，同第二叶萌发期IAA的高含量一致，与IAA生物合成和转运相关的基因，如吲哚-3乙醛氧化酶(AO1)和生长素外排载体PIN1A，在同一时期呈现出相对较高的表达水平（图6C）。

从ABA的变化来看，休眠球茎中ABA含量最高，随着叶芽的萌发，ABA含量大幅下降，仅为休眠期的26%（图6B）。代谢组学分享，与ABA含量的变化趋势相似，ABA生物合成限速酶基因NCED1的表达在第二叶萌发期也受到抑制。相反，与ABA降解相关的基因，如类胡萝卜素裂解双加氧酶(carotenoid cleavage dioxygenase, CCD)，或ABA受体的竞争性抑制剂，如蛋白磷酸酶(protein phosphatase, PP2C51)，在第二叶萌发期表达上调（图6D）。

图6. IAA(A)和ABA(B)在弥勒珠芽魔芋生长周期中的含量变化趋势及参与IAA(C)和ABA(D)信号通路的转录本的表达谱

4.代谢组学分享-结论

本研究测定了与叶萌发密切相关的植物激素水平，经分析发现，在第二叶萌发期，球茎中tZR的含量比休眠期增加了5000多倍，这可能是促进第二叶萌发的关键因素。虽然合成tZR前体的CYP735A1和CYP735A2的表达在第二叶萌发期升高，但在细胞分裂素生物合成中起关键作用的IPT的表达没有显著变化。与此同时，同期叶片中大部分细胞分裂素含量显著低于球茎。因此作者推测不是球茎中从头生物合成形成的球茎中高细胞分裂素含量。代谢组学分享，此外，在第二叶萌发期，球茎中的IAA含量也显著增加，AO1和PIN1A在同一时期呈现出较高的表达水平。

相比之下，ABA含量和NCED1（ABA生物合成中的限速酶）的表达在第二叶萌发期受到抑制。值得一提的是，iP在休眠期球茎中含量较高，在第一叶萌发期后显著下降，这与tZR的趋势完全不同。通过用iP处理休眠球茎，芽和根长度方面的生长性能显著高于对照，这意味着iP型细胞分裂素倾向于在促进第一叶萌发中发挥作用。

本研究结果揭示了弥勒珠芽魔芋激素的时空变化规律，为第二叶萌发过程中主要激素的转录调控提供新见解，这项工作有助于了解激素在多叶生长型魔芋中的作用。