近日，Molecular Plant在線發表了南京農業大學趙方杰教授團隊題為“Rice roots avoid asymmetric heavy metal and salinity stress via a RBOH-ROS-auxin signaling cascade”的研究論文，揭示了水稻根系通過呼吸氧爆發同源酶-活性氧-生長素（RBOH-ROS-Auxin）的信號通路，重塑根系構型以規避局部的重金屬和鹽脅迫。 　　土壤是高度異質的介質，土壤中養分、水分和有害物質在時空上往往分布不均。已有的研究表明，植物可以靈活地調整根尖的生長方向或根系的分支模式以獲取生長所需的水分和養分。但植物根系如何響應分布不均的有毒物質（例如重金屬和鹽）？其機制如何？目前尚不清楚。 　　該研究首先發現，在局部的重金屬（鎘、銅、鉛）和鹽（NaCl）脅迫處理下，脅迫區域水稻根系生長受抑制，而無脅迫區域根系快速形成大量側根。植物通過這一生長策略向無脅迫區域投資根系生物量，進而規避局部的重金屬或鹽脅迫。 　　進一步研究表明，局部的重金屬鎘脅迫可以快速誘發根尖ROS爆發，并同時產生系統性ROS信號傳遞給無脅迫區域的根系。在脅迫一側施加活性氧清除劑N-乙酰-L-半胱氨酸（NAC）可以抑制鎘暴露誘發的根尖ROS爆發，同時也阻斷了系統性ROS信號向無脅迫區域根系的傳播，最終抑制了根系規避局部鎘脅迫的現象。這些結果表明局部脅迫誘發的ROS響應與系統性ROS傳播對于根系規避脅迫必不可少。此外，采用鈣信號報告基因轉基因材料以及鈣信號抑制劑的實驗結果表明，鈣信號通過調節ROS也參與根系規避局部重金屬脅迫。 　　通過一系列的生理及基因轉錄分析，發現兩個定位于質膜的呼吸氧爆發同源酶OsRBOHA和OsRBOHI在轉錄水平上受鎘脅迫誘導上調。敲除OsRBOHA和OsRBOHI可以顯著抑制局部鎘脅迫誘導的ROS響應和系統性ROS信號的傳播，同時減弱了根系規避局部鎘脅迫的能力，表明OsRBOHA和OsRBOHI在ROS介導的根系規避局部脅迫中起重要作用。隨后，利用生長素報告基因株系、生長素轉運和信號突變體進行實驗，結合激素生理實驗以及轉錄組分析，發現系統性ROS信號傳播到無脅迫區域的根系后，促進了生長素信號以及細胞壁重塑基因的表達，從而加速側根的快速形成與伸長。 　　綜上所述，該研究揭示了水稻通過RBOH-ROS-Auxin信號通路模塊重塑根系構型以規避免分布不均的重金屬和鹽脅迫。該脅迫規避策略有望被利用于提高作物對異質土壤環境的適應性，增強作物根系避免土壤中重金屬富集斑塊的能力，減少有毒金屬在糧食作物中的積累，從而保障食品安全。 　　資環學院博士生王漢卿為該論文的第一作者，趙方杰教授為通訊作者。博士生趙星宇、宣偉教授和汪鵬教授參與了該項研究工作。該研究得到了科技部重點研發專項和江蘇省研究生科研創新項目的資助。 　　全文鏈接：/file/upload/2023-10-09/f2elrazlyxh