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干旱(Drought)是常见的非生物胁迫之一,会影响植物生长发育并降低作物产量。植物在适应干旱过程中逐渐形成了完善的抗旱反应机制,使它们能够快速感知环境信号,并做出生理生化反应。植物激素是细胞内的信号分子,在应对非生物胁迫的保护反应中发挥了重要作用。其中,植物体内产生的细胞分裂素(Cytokinin,CK)是参与应激反应的关键信号分子之一。据报道,植物生理缺水状态下,细胞分裂素能够参与调控气孔运动、减弱蒸腾作用、提高植物的耐旱性,而在这些过程中反式玉米素(trans-Zeatin,tZ)发挥了主要功能。tZ类细胞分裂素主要在根部合成并进行长距离运输,在靶细胞中发挥功能。AtABCG14是tZ运输的关键因子,它的缺失会影响tZ的向顶运输,造成突变体形态发生变化。tZ信号是干旱胁迫的初级反应,它是如何调整植物体内应激和发育基因转录水平、调控气孔运动仍是目前亟待解决的重要问题。为进一步研究AtABCG14向顶运输的细胞分裂素在抗旱反应中的作用机理,我们结合了遗传学、细胞学、激素代谢分析和转录组分析等实验手段进行研究,初步阐明了AtABCG14在抗旱反应中的分子机理。具体研究结果如下:(1)干旱胁迫下,AtABCG14的表达和tZ类CK含量下降。GUS组织染色结果和qRT-PCR结果显示,拟南芥幼苗经甘露醇或脱落酸处理后,AtABCG14的表达量在植株中整体大幅降低;且由激素代谢分析可知,甘露醇或脱落酸处理后幼苗中大部分的细胞分裂素含量也降低。(2)atabcg14突变体气孔孔径变小从而导致其蒸腾作用减弱。通过抗旱表型分析及热成像图分析,atabcg14突变体与野生型相比蒸腾强度减弱,水分散失少,耐旱能力更强;而显微镜下观察到突变体的气孔密度不变但气孔孔径变小,说明AtABCG14参与调控气孔运动,提高了植物的保水能力。(3)tZ类细胞分裂素能够回补atabcg14表型,恢复气孔大小。较低浓度的tZ类细胞分裂素处理atabcg14突变体,能够调节气孔运动,部分恢复突变体气孔大小及蒸腾作用,说明AtABCG14运输的tZ类细胞分裂素是介导气孔运动的关键因子。(4)水杨酸(Salicylic Acid,SA)参与AtABCG14介导的抗旱调控途径。LC-MS/MS检测表明,干旱胁迫处理后野生型拟南芥中tZ类细胞分裂素和SA的含量分别下降和上升,而在atabcg14突变体中tZ类细胞分裂素和SA激素含量没有显著变化;其他激素的变化规律在野生型和突变体中相同,表明tZ类细胞分裂素和SA都参与了AtABCG14介导的抗旱反应。(5)atabcg14突变体中CK和SA信号共同调控活性氧(ROS)积累。二氯荧光素染色分析和qRT-PCR分析显示,atabcg14突变体中CK响应基因A型ARRs、SA合成基因ICS1、ICS2及ROS合成相关基因PRX33、PRX34表达量均下降,保卫细胞中活性氧含量比野生型低,说明AtABCG14介导的抗旱调控途径中CK信号和SA信号通过降低活性氧水平,调控气孔关闭。以上实验结果表明,在干旱条件下AtABCG14介导细胞分裂素运输调控拟南芥抗旱反应的过程。其中地上组织tZ类细胞分裂含量降低,响应基因A型ARRs的表达下调,同时SA的合成也降低并减弱SA信号传递,导致活性氧含量减低,抑制气孔的张开,降低蒸腾作用,提高植物抗旱性。