Az ózon által kiváltott rizsszem-hozamveszteség a panikamorfológia változásával vált ki, amelyet a ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1 Gén

Jelenlegi cím: Analitical Science Division, NARO Nemzeti Mezőgazdasági és Élelmiszer-kutató Intézet, Nemzeti Mezőgazdasági és Élelmiszer-kutatási Szervezet, Tsukuba, Ibaraki, 305–8642, Japán

Környezeti Biológiai és Ökoszisztéma Társulási Központ, Nemzeti Környezettudományi Intézet, Tsukuba, Ibaraki, 305–8506, Japán, Élet- és Környezettudományi Doktori Iskola, Tsukubai Egyetem, Tsukuba, Ibaraki, 305–8577, Japán

Környezeti Biológiai és Ökoszisztéma-tagsági Központ, Nemzeti Környezettudományi Intézet, Tsukuba, Ibaraki, 305–8506, Japán

Hovatartozás Központi Villamosenergia-ipari Kutatóintézet, Abiko, Chiba, 270–1194, Japán

Növénytudományi és Forrástudományi Intézet, Okayama Egyetem, Kurashiki, Okayama, 710–0046, Japán

Tagsági növénytermesztési részleg, Hokuriku Kutatóközpont, NARO Mezőgazdasági Kutatóközpont, Nemzeti Mezőgazdasági és Élelmiszer-kutatási Szervezet, Joetsu, Niigata, 943–0193, Japán

Környezeti Biológiai és Ökoszisztéma-tagsági Központ, Nemzeti Környezettudományi Intézet, Tsukuba, Ibaraki, 305–8506, Japán

Keita Tsukahara,
Hiroko Sawada,
Yoshihisa Kohno,
Takakazu Matsuura,
Izumi C. Mori,
Tomio Terao,
Motohide Ioki,
Masanori Tamaoki

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Tsukahara K, Sawada H, Kohno Y, Matsuura T, Mori IC, Terao T és mtsai. (2015) Az ózon által kiváltott rizsszemek hozamveszteségét a panikamorfológia változása váltja ki, amelyet az ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1 gén irányít. PLoS ONE 10 (4): e0123308. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0123308

Akadémiai szerkesztő: Qian Qian, Kína Nemzeti Rizskutató Intézet, KÍNA

Fogadott: 2014. november 17 .; Elfogadott: 2015. március 3 .; Közzétett: 2015. április 29

Adatok elérhetősége: Minden releváns adat megtalálható a dokumentumban és a kiegészítő információkat tartalmazó fájlokban.

Finanszírozás: Ezt a munkát a Japán Környezetvédelmi Minisztérium Globális Környezetkutatási Alapja (A-0806) támogatta az YK és az MT számára (http://www.env.go.jp/policy/kenkyu/suishin/english/index. html), valamint a Japan Advanced Plant Science Network. A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Bevezetés

A troposzférikus ózon a fő fotokémiai oxidálószer, amely jelentős károkat okoz a termesztett növényekben [1]. Koncentrációja a múlt század fordulója óta jelentősen megnőtt [2]. Az előrejelzések szerint a koncentráció Kelet-Ázsiában tovább növekszik 2020-ig, ahol akár 40% -os terméshozam-veszteséget is kiválthat [3]. Az ózonnak való heveny expozíció lombelváltozásokat eredményez, mint például klorózis és nekrózis, és különféle biokémiai és fiziológiai reakciókat vált ki a növényekben [4–6]. Az ózon a sztómákon keresztül jut be a levelekbe, ennek eredményeként reaktív oxigénfajok (ROS) keletkeznek egy oxidatív törés révén [7]. A ROS programozott sejthalált indukál, amelynek eredménye hasonlít a kórokozó fertőzés által kiváltott túlérzékeny válaszra [4].

Ennek a tanulmánynak a célja a rizsszemek hozamvesztésével járó QTL-ek megemelkedése emelkedett ózon mellett Sasanishiki/Habataki kromoszómaszegmens-szubsztitúciós vonalak (CSSL) alkalmazásával. Egy év QTL-elemzés kimutatta, hogy az ózon-expozíció által a rizsszemek hozamvesztésével járó QTL a 6. kromoszómán található [18]. Itt további kísérleteket hajtottunk végre, és megmutattuk, hogy az ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1 (APO1) génnek, amelyről ismert, hogy a rizs panicle elágazását szabályozza, fontos szerepe van az ózon okozta szemtermés-veszteségben. Az ózon az APO1 expressziójának elnyomását indukálja a panicle képződése során, aminek következtében csökken a panicle elágazásainak száma, és végül a szemtermés. Azt is elvégeztük, hogy tisztázzuk, hogyan szabályozza az ózon stressz okozta jelátvitel a szemtermést azáltal, hogy befolyásolja a korai morfogenezist.

Anyagok és metódusok

Növényi anyagok és növekedési körülmények

5 cm hosszú) és virágzatmerisztémák (

1 cm hosszú), amelyet a levélhüvely bezárt, -80 ° C-on lefagyasztották. A Habataki-genotípusú APO1 gén további kutatásait a 04SHA422-12-8.8–18.31 progenénjeinek felhasználásával végezték [20]. Ezek közül az SHA422-1.1 az APO1 gén Habataki-genotípusát tartalmazza, az SHA422-1.3 pedig az APO1 gén Sasanishiki-genotípusát tartalmazza. Az SHA422-1.1, SHA422-1.3, Sasanishikit és Habatakit egy nyitott tetejű kamrában (kamránként öt edény mindegyik vonalból) szénnel szűrt levegő vagy megemelkedett ózon alatt termesztették május 13. és 2011. szeptember 30. közötti betakarítás alatt. Az átlagos ózon a nappali koncentráció (6: 00-18: 00) szénnel szűrt 6,0 nL L -1, ózonnal kiegészített levegőben 67,0 nL L -1 (az adatok nem láthatók). Az átlagos hőmérséklet és a relatív páratartalom a nyitott tetejű kamrában 22,8–24,2 ° C, illetve 80–84,7% volt. A 2011-ben elért eredményeket NF (nem szűrt levegő) állapot egyenértékére konvertáltuk a 2010-es nyitott felső kamrában növesztett Sasanishiki, Habataki és SL421 növekedési jellemzőiből számított konverziós tényezők alkalmazásával (A táblázat az S1 fájlban).

QTL elemzés

A hozamot és a növény növekedési paramétereit a korábban leírtak szerint mértük [18], és a szülői vonalakban lévő paramétereket az S1 fájl B. táblázatában soroljuk fel. Az összekapcsolás elemzését intervallumtérképezéssel [21] végeztük el, amint azt az R/qtl [22] programban megvalósítottuk, az elvárás-maximalizálás algoritmusának felhasználásával [23]. Az egyes CSSL-ek genotípusát korábban meghatározták [19]; a leképezési adatokat a Rice Genome Resource Center-től szereztük be (http://www.rgrc.dna.affrc.go.jp/). A rekombinációs frakciókat centimorgánokká (cM) alakítottuk át a Haldane térképészeti funkció segítségével [24]. Feltételezett QTL-eket is kimutattak R/qtl alkalmazásával.

APO1 gén szekvenciaelemzése

A Sasanishiki és Habataki palántákból DNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Valencia, CA, USA) alkalmazásával kinyert genomi DNS-eket PCR-rel amplifikáltuk APO1-specifikus APO1-F2 (5'-ATGATGAACCCTCGCCGGCTGC – 3 ') és APO1-full primerek alkalmazásával. -R (5'– CTAACCATCATGCATGCCATGCAAGGCG – 3 '). A PCR-termékeket QIAquick Gel Extraction Kit (Qiagen) alkalmazásával tisztítottuk, és a pDrive klónozó vektorba (Qiagen PCR Cloning Kit; Qiagen) klónoztuk. A klónozott amplikonokat ABI3730xl DNS-analizátorral (Life Technologies, Carlsbad, CA, USA) szekvenáltuk. Ezeket a kísérleteket a gyártó utasításainak betartásával hajtották végre. Funkcionális motívumokat (F-box domén és Kelch motívum) a SWISS-MODEL jósolt meg [25–27].

Kvantitatív PCR elemzés

Az összes RNS-t extraháltuk fagyasztott mintákból (levelek, gyökerek, fiatal panikulák és virágzatmerisztémák) RNeasy Plant Mini Kit (Qiagen) alkalmazásával. Az első szálú cDNS-t teljes RNS-ből állítottuk elő random hexamer primerek (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) segítségével, és templátként használtuk a kvantitatív PCR-hez APO1-specifikus 51L3 (5'– CAGGTAAGGGCTCCGTTGGA – 3 ') és 53R3 (5) primerekkel. „–TGCGTAGCATGTTTTGCAGT – 3”) [20]. Az α-tubulin gén egy töredékét szintén ugyanabból a cDNS-ből amplifikáltuk a TUB-F (5'-CATCGACATCAAGTTCGA-3 ') és a TUB-R (5'-CCGAGTTCGACGATGGTGA-3') primerekkel, és belső standardként használtuk megbecsülni az APO1 gén relatív expressziós szintjét. Ezeket a kísérleteket a gyártó utasításainak betartásával hajtották végre.

Microarray elemzés

A fitohormon tartalom számszerűsítése

A fitohormonok tartalma (indol-3-ecetsav, IAA; transz-zeatin, tZ; N6-izopenteniladenin, iP; abszcizinsav, ABA, gibberellinek A1, GA1; gibberellinek A4, GA4; jazonsav, JA; jasmonoyl-l - izoleucint, JA-Ile és szalicilsavat, SA) Lehisa és munkatársai módszerével [31] változtatásokkal határoztuk meg. Fagyasztott virágzatmerisztémák és zászlólevelek (

Az összes frakciót egy Agilent 1260–6410 Triple Quad LC/MS rendszeren (Agilent Technologies Inc., Santa Clara, Kalifornia, USA) elemeztük, amely ZORBAX Eclipse XDB-C18 oszloppal volt felszerelve (Agilent Technologies Inc.). A folyadékkromatográfia körülményeit az S1 File C táblázatában ismertetjük. A tandem kvadrupol tömegspektrométer többszörös reakció-monitorozási módját és az egyes vegyületek prekurzor-termék-ionátmeneteit az S1 fájl D. táblázata tartalmazza.

Statisztikai analízis

Valamennyi statisztikai elemzést az R 3.1.1 nyílt forráskódú szoftver használatával végeztük [32, 33].

Eredmények

A gabonahozam és a növénynövekedési paraméterek különbségei Sasanishikiben és Habatakiban megemelt ózon- és QTL-analízis alatt

Először Sasanishikiben és Habatakiban vizsgáltuk az ózon expozíció által okozott vegetatív és reproduktív tulajdonságok változásait. Habatakiban az ózon expozíció (a környezeti levegő koncentrációjának körülbelül kétszerese) 2009-ben 19% -kal (P = 0,038), 2010-ben 12% -kal (P = 0,085) csökkentette a szemtermést a kontroll növényekhez képest (1A ábra), bár nem vagy gyenge levélkárosodást észleltek (B táblázat az S1 aktában) [18]. Ezzel ellentétben Sasanishikiben nem tapasztaltak ózon okozta szemterméscsökkenést. Érdekes módon látható levélkárosodás jelent meg az ózonnak kitett Sasanishikiben (B táblázat az S1 fájlban) [18]. Az elsődleges rachiságak száma szignifikánsan (17% -kal) csökkent az ózon expozíció hatására Habatakiban, Sasashaniában azonban nem (1B. És 1C. Ábra). Az ózon okozta változásokat egyéb vegetatív vagy szaporodási tulajdonságokban (biomassza, csonthossz, növényenként pánikszám, panikahossz, steril szemcseszám, összszemcseszám, rostánként töltött szemcsék száma és töltési sebesség) figyeltünk meg mindkét fajtán (táblázat B az S1 fájlban). Ezekben a tulajdonságokban azonban az ózon által kiváltott változásokat csak a két év egyikében észlelték mindkét fajtán. Ezért csak az elsődleges rachiságak számát és a gabonatermést tekintjük az ózon által befolyásolt tulajdonságoknak Habatakiban, de Sasanishikiben nem, és ezeket a tulajdonságokat tovább értékeltük.

(A) A gabonatermés változásai 2009-ben és 2010-ben. (B) A primer rachis-ágak számának változásai 2009-ben és 2010-ben. Az értékek átlag ± SD (n = 20). A hibasávok az SD-t jelzik; n.s., nem jelentős; * P 7 2009-ben (2A. Ábra); bár 3 volt), bár nem volt a legmagasabb (2. ábra. Az ózon okozta hozamveszteséget és az elsődleges rachis ágak számát vizsgálja a genom.

(A, C) A QTL valószínűség leképezi az (A) szemtermést és (C) az elsődleges rachiságak számát. A genetikai térképeket kompozit intervallum térképezéssel állítottuk elő, a környezeti levegő és az emelkedett ózon közötti különbségeket alkalmazva. (B, D) A (B) QTL-ek additív hatása a szemtermésre és (D) az elsődleges rachiságak száma. A B és D pozitív (negatív) additív hatása a Sasanishiki (Habataki) növekvő allélját jelenti. A függőleges pontozott vonalak elválasztják az 1–12. Kromoszómát (alul jelölve), balról jobbra haladva az x tengely mentén.

A térképet [43] -tól adaptálták. Azok a gének, amelyekről ismert, hogy befolyásolják a rizs szemtermését, az egyes kromoszómák jobb oldalán találhatók.

Az APO1 Habataki-genotípusának hatása a szemtermésre és az elsődleges rachiságak számára

(A) Az SHA422-1.1 (APO1 közeli izogén vonal) és az SHA422-1.3 kromoszóma grafikus genotípusa. A legvastagabb nyíl az APO1 nyitott olvasási keretét jelöli; keskenyebb nyilak jelzik a többi jósolt gént. 1,1, SHA422-1,1; 1,3, SHA422-1,3. Módosítva: [20]. (B, C) A Habataki-típusú APO1 gén hatása a (B) szemtermésre és (C) az elsődleges rachiságak számára. Az értékek átlag ± SD (n = 36). NF, nem szűrt levegő (átszámított értékek); O3, emelkedett ózon. Az ugyanazon betűkkel ellátott oszlopok nem különböznek szignifikánsan (Tukey's HSD test, P 5. ábra. APO1 aminosav szekvenciák Sasanishikiben és Habatakiban.

A dobozok előre jelzik a funkcionális motívumokat (I, F-box domén; II, Kelch motívum). A Habataki APO1-nek két aminosav-szubsztitúciója van (Ile39Val az F-box doménben és Arg226Gly a Kelch motívum közelében), valamint három aminosav deléciója (Gly309 – Gly311) a Sasanishikihez képest. Sasa, Sasanishiki; Haba, Habataki.

Korábban beszámoltunk arról, hogy a fiatal panikulákban az APO1 átírások szintjét Habatakiban az ózon elnyomta, de Sasanishikiben megemelkedett [18]. Az APO1 expressziós mintázat részletesebb megértése érdekében összehasonlítottuk a két fajta több szervében. Az APO1 transzkriptumot a fiatal panikulákban, gyökerekben és virágzatmerisztémákban mutatták ki, a levélpengékben azonban nem; az expresszió szintje magasabb volt Habatakiban, mint Sasanishikiben (6A. ábra). Habatakiban figyelemreméltóan magas APO1 expressziót figyeltek meg a virágzat merisztémáiban, ahol ez 17-szerese volt a fiatal panicusoknak. Az ózonkezelés csökkentette az APO1 transzkriptum szintjét a habataki virágzatmerisztémákban a környezeti levegő egyharmadára, de Sasanishiki transzkriptumszintjét körülbelül 100% -kal növelte, bár ez a növekedés nem érte el a statisztikai szignifikanciát (6B. Ábra, P = 0,076) . Ezek a megállapítások összhangban vannak a fiatal panikulákról szóló korábbi jelentésünkkel [18]. Ezenkívül az SHA422-1.1-ben az APO1 transzkriptumszint ötször magasabb volt, mint az SHA422-1.3-ban NF körülmények között, de az ózonkezelés mindkét vonalon csökkent (C ábra S1 fájlban).