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渗透胁迫是影响植物生长和作物生产的主要因素之一。尽管多数渗透胁迫会危害植物的生长,然而,一定程度的干旱和PEG模拟的轻度渗透胁迫能够促进植物的根生长。但是,轻度渗透胁迫促进植物根生长的机制还不清楚。研究植物对轻度渗透胁迫的响应机制,可以为创制逆境适应性增强的作物、指导植物节水灌溉和促进农业发展提供重要理论参考。糖原合成酶激酶(Glycogen synthase kinase 3,GSK3)是一类在真核生物中高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Ser/Thr Protein Kinase,Ser/Thr PK),广泛参与多种发育过程的调控。在植物中,GSK3s既作为激素油菜素甾醇(Brassinolides,BRs)信号传导通路的核心负调控元件,也调控胁迫响应激素脱落酸(Abscisic acid,ABA)信号通路。已有研究报道过表达或缺失GSK3s家族成员能够影响植物对渗透胁迫的响应,但是具体调控机制仍未阐明。本研究以拟南芥中GSK3家族成员为对象,挖掘其在轻度渗透胁迫调控植物根生长过程中的功能,得到如下结果:由于根尖是植物感受土壤水势的重要部位,本研究首先通过对GSK3家族10个成员进行promoter::GUS分析,鉴定到在根尖具有高表达的成员Arabidopsis thaliana shaggy-related kinase 11(At SK11)、At SK12和At SK13。通过比较Col-0背景的野生型(Wildtype,WT)和atsk11atsk12双突变的表型,发现在正常条件下,atsk11atsk12根长变短、分生区长度降低、分生区细胞数目减少,而成熟表皮细胞长度与WT相比没有显著差别,说明At SK11和At SK12通过促进根尖细胞分裂调节根生长。此外,atsk11atsk12突变体根毛数目减少,说明At SK11和At SK12参与根毛发育调控。通过比较WT和At SK11、At SK12、At SK13相关突变体在渗透胁迫处理下的根生长表型发现:1,与对照条件(-0.25 MPa)相比,轻度渗透胁迫(-0.4 MPa)促进上述材料的根生长而相对较高的渗透胁迫条件(-0.5,-0.6,-0.7 MPa)抑制根生长;2,与WT相比,atsk11atsk12对轻度渗透胁迫促进根生长更敏感。通过RNA-seq对WT和atsk11atsk12在三种水势(-0.25,-0.4,-0.6 MPa)条件下的差异表达基因分析,得到10个轻度渗透胁迫响应基因,其中8个为细胞壁功能相关基因,包括Extensin家族基因,Proline-rich protein 3(PRP3)和Xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase protein gene 14(XTH14)。进一步对上述响应基因启动子进行Motif富集分析和结合转录因子预测分析,发现b HLH家族转录因子LJRHL1-Like 2(LRL2)可能参与上述渗透胁迫响应基因的表达调控。与WT相比,胁迫响应基因的表达水平在LRL2突变体中升高,而在LRL2过表达材料中降低,说明LRL2负调控胁迫响应基因的表达。为了研究GSK3s是否通过LRL2,调控轻度渗透胁迫促进根生长的过程,首先对GSK3s与LRL2进行互作验证,发现At SK11、At SK12和At SK13均能与LRL2互作且体外磷酸化实验显示GSK3s能够磷酸化LRL2。同时,通过磷酸化质谱鉴定到LRL2的11个潜在磷酸化位点。此外,Dual-luciferase实验结果显示LRL2负调控轻度渗透胁迫响应基因的启动子活性,而At SK11,At SK12能够抑制LRL2对响应基因的负调控。通过遗传分析发现LRL2位于At SK11和At SK12的下游。综上所述,本研究发现:在正常条件下,拟南芥根尖高表达的GSK3s家族成员At SK11和At SK12促进根尖细胞分裂和根毛发育;轻度渗透胁迫(-0.4MPa)下,拟南芥根生长被促进,atsk11atsk12对轻度渗透胁迫促进根生长较WT更敏感;进一步研究发现At SK11和At SK12磷酸化转录因子LRL2并阻碍了LRL2对胁迫响应基因的转录抑制,进而负调控轻度渗透胁迫促进根的生长的过程。本研究揭示了一个新的轻度渗透胁迫促进根生长的调控机制,该机制有助于改善作物对逆境的适应性,并为作物节水灌溉提供新的思路。