Настоящ адрес: Отдел за аналитични науки, Национален институт за научни изследвания в областта на земеделието и храните, NARO, Национална организация за изследване на земеделието и храните, Цукуба, Ибараки, 305–8642, Япония

озона

Афилиационен център за биология и екосистема на околната среда, Национален институт за екологични изследвания, Цукуба, Ибараки, 305–8506, Япония, Висше училище за битови и екологични науки, Университет на Цукуба, Цукуба, Ибараки, 305–8577, Япония

Присъединителен център за биология и екосистема на околната среда, Национален институт за екологични изследвания, Цукуба, Ибараки, 305–8506, Япония

Централен изследователски институт за електроенергетика, Abiko, Chiba, 270–1194, Япония

Институт за растителна наука и ресурси, Университет Окаяма, Курашики, Окаяма, 710–0046, Япония

Институт за растителна наука и ресурси, Университет Окаяма, Курашики, Окаяма, 710–0046, Япония

Отдел за развитие на филиалните култури, Изследователски център на Хокурику, Център за научни изследвания в областта на земеделието NARO, Национална организация за изследване на земеделието и храните, Джоецу, Ниигата, 943–0193, Япония

Присъединителен център за биология и екосистема на околната среда, Национален институт за екологични изследвания, Цукуба, Ибараки, 305–8506, Япония

Афилиационен център за биология и екосистема на околната среда, Национален институт за екологични изследвания, Цукуба, Ибараки, 305–8506, Япония, Висше училище по бит и екологични науки, Университет на Цукуба, Цукуба, Ибараки, 305–8577, Япония

  • Кейта Цукахара,
  • Хироко Савада,
  • Йошихиса Кохно,
  • Такаказу Мацуура,
  • Изуми С. Мори,
  • Томио Терао,
  • Motohide Ioki,
  • Масанори Тамаоки

Фигури

Резюме

Цитат: Tsukahara K, Sawada H, Kohno Y, Matsuura T, Mori IC, Terao T, et al. (2015) Индуцирана от озона загуба на добив на зърно от ориз се предизвиква чрез промяна в морфологията на метлицата, която се контролира от АБЕРРАНТА ОРГАНИЗАЦИЯ НА ПАНИКЛА 1 ген. PLoS ONE 10 (4): e0123308. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0123308

Академичен редактор: Цян Цян, Китайски национален институт за изследване на ориза, КИТАЙ

Получено: 17 ноември 2014 г .; Прието: 3 март 2015 г .; Публикувано: 29 април 2015 г.

Наличност на данни: Всички релевантни данни се намират в хартията и нейните поддържащи информационни файлове.

Финансиране: Тази работа беше подкрепена от Глобалния фонд за изследване на околната среда (A-0806) на Министерството на околната среда, Япония за YK и MT (http://www.env.go.jp/policy/kenkyu/suishin/english/index. html) и от Японската мрежа за напреднали растения. Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

Тропосферният озон е основният фотохимичен окислител, който причинява значителни щети на култивираните култури [1]. Концентрацията му се е увеличила значително от началото на миналия век [2]. Прогнозира се, че концентрацията ще продължи да нараства в Източна Азия до 2020 г., където може да предизвика до 40% загуба на реколтата [3]. Острото излагане на озон води до листни лезии като хлороза и некроза и предизвиква разнообразни биохимични и физиологични реакции при растенията [4–6]. Озонът навлиза в листата през устицата, което води до генериране на реактивни кислородни форми (ROS) чрез оксидативен взрив [7]. ROS предизвиква програмирана клетъчна смърт с резултат, който прилича на свръхчувствителния отговор, провокиран от патогенна инфекция [4].

Целите на това проучване бяха да се идентифицират QTL, свързани със загуба на добив на оризови зърна при повишен озон, като се използват линии за заместване на хромозомни сегменти на Sasanishiki/Habataki (CSSL). Едногодишен QTL анализ показа, че QTL, свързан със загуба на добив на оризови зърна от експозиция на озон, се намира на хромозома 6 [18]. Тук проведохме допълнителни експерименти и показахме, че генът ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1 (APO1), известен с това, че контролира разклоняването на метлиците в ориза, има важна роля за индуцираната от озон загуба на добив на зърно. Озонът индуцира потискане на експресията на APO1 по време на образуването на метлицата, което води до намаляване на броя на клоните на метлиците и в крайна сметка в добива на зърно. Също така извършихме допълнително и да изясним как сигналът, предизвикан от озоновия стрес, регулира добива на зърно чрез въздействие върху ранната морфогенеза.

Материали и методи

Растителни материали и условия на растеж

5 см дълги) и меристеми на съцветия (

1 cm дължина), затворени от листната обвивка, бяха замразени при -80 ° C. По-нататъшни изследвания върху гена на Habataki-генотип APO1 бяха извършени с помощта на потомците на 04SHA422-12-8.8-18.31 [20]. От тях SHA422-1.1 съдържа Habataki-генотип на APO1 ген, а SHA422-1.3 има Sasanishiki-генотип на APO1 ген. SHA422-1.1, SHA422-1.3, Sasanishiki и Habataki са отглеждани в камера с отворен плот (пет саксии от всяка линия на камера) под филтриран с въглен въздух или повишен озон от 13 май до прибиране на реколтата на 30 септември 2011 г. Средният озон концентрацията през деня (от 6:00 до 18:00) е 6,0 nL L -1 във филтриран с въглен и 67,0 nL L -1 във въздух, допълнен с озон (данните не са показани). Средната температура и относителната влажност в камерата с отворен плот са съответно 22,8–24,2 ° C и 80–84,7%. Получените резултати през 2011 г. бяха преобразувани в еквивалент на състояние на NF (нефилтриран въздух), използвайки коефициенти на преобразуване, изчислени от признаците на растеж на Sasanishiki, Habataki и SL421, отглеждани в камера с отворен плот през 2010 г. (Таблица A в файл S1).

QTL анализ

Параметрите на добива и растежа на растенията са измерени, както е описано по-рано [18], а тези в родителските линии са изброени в таблица В в S1 файл. Анализът на връзката беше извършен чрез картографиране на интервали [21], както е приложено в програмата R/qtl [22], като се използва алгоритъмът за максимизиране на очакванията [23]. Генотипът на всеки CSSL е определен преди това [19]; данните за картографиране са получени от Ресурсния център за оризов геном (http://www.rgrc.dna.affrc.go.jp/). Фракциите на рекомбинацията бяха превърнати в сантиморгани (cM) чрез използване на функцията за картографиране Haldane [24]. Putative QTLs също бяха открити с помощта на R/qtl.

Анализ на последователността на гена APO1

Геномни ДНК, извлечени от разсад Sasanishiki и Habataki чрез използване на DNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Валенсия, Калифорния, САЩ), бяха амплифицирани чрез PCR, използвайки APO1-специфичните праймери APO1-F2 (5'– ATGATGAACCCTCGCCGGCTGC – 3 ') и APO1-full -R (5'– CTAACCATCATGCATGCCATGCAAGGCG – 3 '). PCR продуктите се пречистват чрез използване на QIAquick Gel Extraction Kit (Qiagen) и се клонират в pDrive Cloning Vector (Qiagen PCR Cloning Kit; Qiagen). Клонираните ампликони бяха секвенирани на ABI3730xl ДНК анализатор (Life Technologies, Carlsbad, CA, USA). Тези експерименти бяха проведени в съответствие с инструкциите на производителя. Функционални мотиви (F-box домейн и Kelch мотив) бяха предвидени от SWISS-MODEL [25–27].

Количествен PCR анализ

Общо РНК бяха извлечени от замразени проби (листа, корени, млади метлици и меристеми на съцветия) с помощта на RNeasy Plant Mini Kit (Qiagen). КДНК от първа верига се генерира от обща РНК, използвайки произволни хексамерни праймери (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) и се използва като шаблон за количествена PCR със специфичните за APO1 праймери 51L3 (5'– CAGGTAAGGGCTCCGTTGGA – 3 ') и 53R3 (5 „–TGCGTAGCATGTTTTGCAGT – 3“) [20]. Фрагмент от гена на α-тубулин също се амплифицира от същата кДНК с праймерите TUB-F (5'– CATCGACATCAAGTTCGA – 3 ') и TUB-R (5'– CCGAGTTCGACGATGGTGA – 3') и се използва като вътрешен стандарт за оценка на относителното ниво на експресия на гена APO1. Тези експерименти бяха проведени в съответствие с инструкциите на производителя.

Анализ на микрочипове

Количествено определяне на съдържанието на фитохормони

Съдържанието на фитохормони (индол-3-оцетна киселина, IAA; транс-зеатин, tZ; N6-изопентениладенин, iP; абсцизова киселина, ABA, гиберелини А1, GA1; гиберелини A4, GA4; жасмонова киселина, JA; жасмоноил-л - изолевцин, JA-Ile; и салицилова киселина, SA) се определя по метода на Lehisa и колеги [31] с модификации. Замразени съцветия меристеми и флаг листа (

Всички фракции бяха анализирани на Agilent 1260–6410 Triple Quad LC/MS система (Agilent Technologies Inc., Санта Клара, Калифорния, САЩ), оборудвана със ZORBAX Eclipse XDB-C18 колона (Agilent Technologies Inc.). Условията на течната хроматография са описани в таблица С в S1 файл. Режимът на многократна реакция за наблюдение на тандемния квадруполен масспектрометър и йонните преходи на прекурсорния продукт за всяко съединение са изброени в таблица D във файл S1.

Статистически анализ

Всички статистически анализи са проведени с помощта на софтуера с отворен код R версия 3.1.1 [32, 33].

Резултати

Различия в добива на зърно и параметрите на растежа на растенията в Sasanishiki и Habataki при повишен озон и QTL анализ

Първо изследвахме промените във вегетативните и репродуктивните характеристики, причинени от излагането на озон в Сасанишики и Хабатаки. В Habataki излагането на озон (приблизително два пъти по-голяма от концентрацията в околния въздух) намалява добива на зърно с 19% (P = 0,038) през 2009 г. и с 12% (P = 0,085) през 2010 г. спрямо контролните растения (фиг. 1А), въпреки че не или е открито слабо нараняване на листа (Таблица В във файл S1) [18]. За разлика от това, в Sasanishiki не се наблюдава индуцирано от озон намаляване на добива на зърно. Интересното е, че видимо нараняване на листа се появи при изложени на озон Sasanishiki (Таблица B в файл S1) [18]. Броят на първичните клонове на рахиса е значително намален (със 17%) при излагане на озон в Habataki, но не и в Sasanishiki (Фигура 1B и 1C). Индуцирани от озона промени в други вегетативни или репродуктивни признаци (биомаса, дължина на гърдите, брой метлици на растение, дължина на метлицата, брой стерилни зърна, общ брой на зърната, брой напълнени зърна на метлица и степен на пълнене) са наблюдавани и при двата сорта (Таблица B във файл S1). Въпреки това, индуцираните от озона промени в тези признаци са открити само през една от двете години и в двата сорта. Следователно ние разглеждаме само броя на първичните клонове на рахис и добива на зърно като признаци, засегнати от озона в Habataki, но не и в Sasanishiki, и тези признаци бяха оценени допълнително.

(A) Промени в добива на зърно през 2009 и 2010 г. (B) Промени в броя на първичните клонове на рахи през 2009 и 2010 г. Стойностите са средни ± SD (n = 20). Лентите за грешки показват SD; n.s., без значение; * P 7 през 2009 г. (фиг. 2А); въпреки че беше 3), въпреки че не беше най-високият (Фиг. 2. Геномни сканирания за индуцирана от озон загуба на добив и брой първични клонове на рахис.

(A, C) QTL карти на вероятността за (A) добив на зърно и (C) броя на първичните клонове на рахиса. Генетичните карти са изготвени чрез съставяне на интервално картографиране, като се използват разликите между атмосферния въздух и повишения озон. (B, D) Адитивен ефект на (B) QTL за добив на зърно и (D) броя на първичните клонове на рахиса. Положителен (отрицателен) адитивен ефект при В и D представлява нарастващ алел от Sasanishiki (Habataki). Вертикалните пунктирани линии отделят хромозоми 1–12 (обозначени отдолу), напредващи отляво надясно по оста x.

Картата е адаптирана от [43]. Гените, за които е известно, че влияят върху добива на зърно в ориза, са посочени вдясно на всяка хромозома.

Ефекти на Habataki-генотип на APO1 върху добива на зърно и броя на първичните клонове на рахиса

(А) Графичен генотип на хромозома 6 на SHA422-1.1 (APO1 почти изогенна линия) и SHA422-1.3. Най-дебелата стрелка представлява отворената рамка за четене на APO1; по-тесните стрелки представляват други предсказани гени. 1.1, SHA422-1.1; 1.3, SHA422-1.3. Променено от [20]. (B, C) Ефекти на гена APO1 от типа Habataki върху (B) добив на зърно и (C) броя на първичните клонове на рахиса. Стойностите са средни ± SD (n = 36). NF, нефилтриран въздух (преобразувани стойности); O3, повишен озон. Баровете, покрити с едни и същи букви, не се различават съществено (HSD тест на Tukey, P Фиг. 5. Аминокиселинни последователности на APO1 в Sasanishiki и Habataki.

Кутиите показват прогнозирани функционални мотиви (I, F-box домейн; II, Kelch мотив). APO1 на Habataki има две аминокиселинни замествания (Ile39Val в F-box домейна и Arg226Gly близо до мотива на Kelch) и заличаване на три аминокиселини (Gly309 – Gly311) в сравнение със Sasanishiki. Саса, Сасанишики; Хаба, Хабатаки.

По-рано съобщавахме, че нивото на APO1 транскриптите в младите метлички е потиснато от озон в Habataki, но се е увеличило в Sasanishiki [18]. За да разберем по-подробно модела на експресия на APO1, го сравнихме в няколко органа в двата сорта. Преписът APO1 е открит в младите метлици, корени и меристеми на съцветия, но не и в листните пластинки; нивото на експресия е по-високо в Habataki, отколкото в Sasanishiki (Фигура 6А). В Habataki се забелязва забележително висока експресия на APO1 в меристемите на съцветия, където е била 17 пъти по-голяма от тази при младите метлици. Обработката с озон намали нивото на транскрипт APO1 в мелосистемите на съцветия на Habataki до една седма от това в околния въздух, но повиши нивото на транскрипт в Sasanishiki с приблизително 100%, въпреки че това увеличение не достигна статистическа значимост (Фигура 6B, P = 0,076) . Тези констатации са в съответствие с предишния ни доклад за младите метлици [18]. Освен това нивото на APO1 транскрипт в SHA422-1.1 е 5 пъти по-високо от това в SHA422-1.3 при NF условие, но това и в двата реда е намалено чрез обработка с озон (Фигура C в S1 файл).