Сравнительное профилирование транскриптома для раскрытия ключевых молекулярных сигнальных путей и адаптивной к засухе пластичности в побеговой корневой системе сахарного тростника

Том 13 научных докладов, номер статьи: 12853 (2023) Цитировать эту статью

238 Доступов

Подробности о метриках

Корневая система сахарного тростника состоит из поверхностных осевых корней, а также глубоко проникающих побеговых корней (SBR), причем последние являются постоянной корневой системой. В сахарном тростнике здоровый SBR способствует повышению урожайности, а также помогает получить несколько урожаев после сбора урожая. Существует нехватка глубоких знаний об архитектуре системы SBR и ее функциональной роли в современных коммерческих гибридах. Комплексное фенотипическое, анатомическое и полное транскриптомное профилирование, проведенное между коммерческими гибридами сахарного тростника и дикой зародышевой плазмой Erianthus, выявило задержку развития как в инициации, так и в формировании SBR у коммерческого гибрида по сравнению с Erianthus. Система SBR в Эриантусе оказалась обширной архитектурой корневой системы, адаптивной к засухе, которая в значительной степени способствует устойчивости к засухе. С другой стороны, SBR в коммерческих гибридах показали необратимый коллапс и повреждение клеток корня в условиях засухи. Результаты сравнительного анализа данных транскриптома показали значительную активацию генов, которые регулируют важные пути передачи сигналов о стрессе, а именно, передачу сигналов сахара, кальция, гормонов и биосинтез фенилпропаноидов в SBR Erianthus. Было обнаружено, что посредством этих ключевых сигнальных путей Erianthus SBR запускают нижестоящий сигнальный каскад, вызывая физиологические реакции, такие как осмопротекция, модификация клеточных стенок, детоксикация активных форм кислорода, экспрессия транскрипционных факторов, чувствительных к засухе, поддержание стабильности клеток и боковых корней. разработка. Настоящее исследование формирует основу для дальнейшего изучения системы Shoot Borne Root как ценного объекта селекции для выведения засухоустойчивых генотипов сахарного тростника.

Во всем мире частота абиотических стрессов, таких как засуха, засоление, заболачивание, высокая температура и другие экстремальные погодные условия, увеличивается с каждым годом1. Сахарный тростник является одной из наиболее экономически важных товарных культур и основным источником сахара во всем мире. Однако засуха становится серьезной проблемой, влияющей на продуктивность и производство сахарного тростника во всем мире. Индия, площадь которой составляет 5,1 млн га, является одной из ведущих стран по выращиванию сахарного тростника. В настоящее время около 0,29 миллиона гектаров суши в Индии, на которых выращивается сахарный тростник, подвержены засухе2,3,4,5,6. Стресс засухи, особенно на этапе формирования урожая, снижает более 50% его урожая7,8. Использование толерантных и более адаптивных сортов поможет добиться устойчивой продуктивности в условиях стресса, вызванного засухой8.

Для создания засухоустойчивых или адаптивных культур в программах селекции широко используются растения с лучшей архитектурой корневой системы9. Корни — это первые органы в организме растения, которые ощущают стресс засухи и запускают каскад сигналов стресса. Сигнальный каскад вызывает метаболические и молекулярные изменения в растении, позволяющие адаптироваться к экстремальным условиям окружающей среды10,11. Ранее были проведены обширные исследования с целью разгадать молекулярные сигнальные пути корня и его регуляторные механизмы, чтобы можно было лучше понять стратегии корня по поддержанию функций в условиях ограниченной доступности воды10,11,12,13.

Корневая система сахарного тростника сильно различается по своей природе, поскольку на разных этапах своего развития она образует разные типы корневых систем14. Первичный корень, т. е. корни осетки, образуется из корневых глазков вегетативных побегов во время прорастания почек. Он поддерживает развитие рассады, хотя в конечном итоге она разлагается в течение 60–90 дней после прорастания. Через 5–7 дней после посева из последовательных узлов побегов возникают более толстые и постоянные побеговые корни (SBR). Эта корневая система уникальна для однодольных растений и образует постоянную корневую систему сахарного тростника, способствуя фитнесу взрослых особей и конечному урожаю14,15.