水稻SPL5基因在抗病應答中負調控5羥色胺的生物合成

背景簡介

超敏反應（hypersensitive response，HR）是一種植物特有的防御機制，是指植物在受到病原菌侵染后，在侵染部位誘發細胞死亡，從而有效阻止病原菌增殖的防衛反應。水稻spl5（spotted leaf 5）突變體能自發產生類似HR的細胞壞死斑（lesion），并顯著性增強對病原菌的抗性，表明SPL5基因在細胞死亡和抗病應答中起負調控的作用，但是SPL5介導的調控途徑及其分子機制尚不清楚。

文章亮點

本研究利用基因芯片技術，分析了水稻spl5突變體與野生型對照葉片組織的轉錄組水平，發現幾百個基因在spl5突變體中的表達上調或下調，其中有相當一部分基因的功能與生物性防御反應或活性氧代謝有關。同時，根據芯片數據以及qPCR的驗證，都表明1個轉錄因子OsWRKY14基因和5-羥色胺（Serotonin）生物合成的關鍵酶基因，鄰氨基苯甲酸合成酶（AS），吲哚-3-甘油磷酸合成酶（IGP），色氨酸合成酶（TS）和色氨酸脫羧酶（TDC），在spl5突變體均顯著性上調。有文獻曾報道水稻OsWRKY14正調控TS和TDC基因的表達。因此，推測OsWRKY14很可能調節5-羥色胺的生物合成生產。高效液相色譜（HPLC）測定進一步證實spl5突變體中5-羥色胺的含量顯著性高于野生型。

由于5 -羥色胺在植物抗病應答中起著至關重要的作用，它可以激活下游PR（Pathogen related）基因的表達。所以，spl5突變體中5 -羥色胺含量的升高很可能是其抗病性增強的原因之一，SPL5基因作為負調控因子，通過轉錄因子OsWRKY14調節5 -羥色胺的生物合成，從而介導了水稻的抗病應答。本研究中Affymetrix rice 44k gene chips的技術服務由上海伯豪提供。

結果解析

本研究分別比較了spl5突變體的少壞死斑葉片（few lesion, FL）、多壞死斑葉片（more lesion, ML）與野生型對照葉片（WT）間的轉錄組水平差異，在spl5-FL中檢測到243個差異表達基因（176上調，67下調），在spl5-ML檢測到896個（445上調，451下調），208個差異表達基因是spl5-FL和spl5-ML中共有的，涉及20類不同的生物學功能，包括其中防衛應答、氧化還原、逆境脅迫、氨基酸代謝等等。

根據芯片數據和qPCR驗證，表明5-羥色胺生物合成的關鍵酶基因：鄰氨基苯甲酸合成酶（AS）、吲哚-3-甘油磷酸合成酶（IGP）、色氨酸合成酶（TS）和色氨酸脫羧酶（TDC），及其轉錄因子OsWRKY14基因在spl5突變體均顯著性上調。

利用高效液相色譜技術，檢測了spl5突變體和野生型中5-羥色胺（Serotonin）及其前體色氨酸（Tryptophan）的含量，結果表明Tryptophan與Serotonin的含量在spl5突變體中顯著性上調。

根據實驗結果，對SPL5基因調控機制提出了一個可能的模型：SPL5基因負調控轉錄因子OsWRKY14的表達，通過OsWRKY14介導水稻5-羥色胺的生物合成，5-羥色胺的積累促進PR基因的表達，從而激活水稻的抗病應答反應。

原文出處：Bin Jin, Xinru Zhou, Baolin Jiang, Zhimin Gu, Pinghua Zhang, Qian Qian, Xifeng Chen and Bojun Ma. Transcriptome profiling of the spl5 mutant reveals that SPL5 has a negative role in the biosynthesis of serotonin for rice disease resistance. Rice. 2015, 8: 18