研究揭示了洪水過後植物恢復活力的分子機制！
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2018年6月11日，PNAS雜誌在線發表了來自烏得勒支大學Rashmi Sasidharan和Julia Bailey-Serres課題組題為「A stress recovery signaling network for enhanced flooding tolerance in Arabidopsis thaliana」的研究論文。該論文發現了植物在水淹後恢復期間NADPH氧化酶RBOHD，衰老相關基因SAG113和ORE1調節活性氧（ROS）的產生和脫落酸和乙烯的上升，揭示了一個信號網路調節洪水後的恢復過程的動態平衡。
背景知識：
植物在動態且不適宜的環境中不斷調整新陳代謝和發育。氣候變化加劇了植物生長環境的嚴重性和不可預測性，包括水和溫度的極端情況。然而，植物對極端環境事件的適應性不僅取決於壓力本身，還取決於去除壓力後的恢復。從水災中恢復的植物中尤其明顯。洪水是一種非生物脅迫，對作物產量和植物多樣性產生了巨大影響。大多數陸生植物，幾乎包括所有的主要作物，都對部分或完全淹沒地上器官敏感。所有地上部分淹沒嚴重降低了氣體擴散速率，隨後阻礙了光合作用和呼吸作用。此外，泥濘的洪水幾乎可以完全阻止光線進入，從而進一步阻礙光合作用。最終，植物遭受碳源和能量缺少危機的影響，導致嚴重延遲發育。另一方面，隨著洪水的消退，原處在低光和低氧氣的植物組織突然又重新暴露於空氣條件下，而這種轉變會給植物帶來新的脅迫。比如氧化脅迫和由於根功能失效導致的脫水。因此，洪水被看作是一個連續的壓力，其中洪水和後期退水之後造成不同的脅迫，因此，植物需要調整不同的方式來適應兩個階段的脅迫。
植物採用通過結構上和形態學的改變來迴避被淹。這種改善反應，稱為low oxygen escape syndrome （LOES），有利於淹沒組織的存活。在完全淹沒後，能夠刺激葉柄，莖或葉的伸長率。之後形成更薄的細胞壁和角質層，並將葉綠體重新定向為葉表面。這些特性減少了CO2和O2擴散的阻力，促進了向內擴散，從而改善了水下光合作用和有氧代謝（見下圖）。
儘管對植物被淹反應進行了廣泛的研究，但對於控制恢復速率的過程知之甚少。當水位下降時，陽光和氧氣的變多引發一系列活性氧（ROS）產生。然而，在ROS與恢復過程中的生存之間的聯繫中，其中機制仍然不清楚，包括ROS的來源以及它是否也具有信號作用。水稻中，淹水耐受性相關的SUB1A基因通過增加ROS清除和增強脫落酸（ABA）反應而在復氧期間賦予植物耐受乾旱和氧化脅迫能力。在擬南芥中，ABA、乙烯和茉莉酸已經涉及到氧化損傷後恢復的各個方面。雖然這些研究促進了對洪水恢復的認識，但是關鍵的恢複信號，它們之間的等級關係以及調節變化和恢復成功的分子過程仍不清楚。
早在2004年，同樣該課題組在New Phytol雜誌上發表論文，發現了擬南芥的各生態型耐澇性不一樣。擬南芥生態型Bay-0和Lp2-6根據水淹後恢復期結束時的存活評估被認為是水澇敏感和耐受性的（見下圖）。因此該研究使用了兩個具有不同耐澇性的擬南芥生態型Bay-0和Lp2-6，試圖通過兩者之間的差異，確定被淹後恢復能力的差異機制並揭示潛在的信號傳導網路。
86個擬南芥生態型在黑暗中耐澇性的差異（New Phytol. 2011 Apr;190(2):299-310）
方法與結果：
第一，該研究首先確認了Bay-0和Lp2-6的差異的原因？通過觀察發現差異主要是由於恢復階段的差異，在恢復控制生長條件後，Lp2-6保持更多的葉綠素和增加苗生物量。通過嫁接實驗，發現恢復存活差異是因為地上部分組織。在這兩個生態型中，老葉片表現出最嚴重的淹沒損傷，在恢復過程中可見脫水。但是在兩個生態型的中間葉（10葉階花序的葉5-7葉）表現出種間可見差異。這與在淹沒後出現的Lp2-6中葉片中更高的葉綠素含量相關。因此，Bay-0和Lp2-6兩者之間的差異是由於中間葉片的區別。
第二，為了鑒定其中的分子機制，研究者將兩者的中間葉進行ribosome-sequencing (Ribo-seq) 測序發現，在Bay-0中淹水期間，「rRNA加工」和「核糖體生物合成」相關顯著下調。在Lp2-6中，這些基因對水淹幾乎沒有反應，並在退水後恢復到其原始值。因此，在淹沒和恢復過程中核糖體相關轉錄物表現出保守和物種的特異性。
第三，通過上述圖可以看出，氧化應激和ROS代謝是重要的恢復組分。因此通過評估脂質過氧化產物丙二醛（MDA）的水平來測量ROS產生。在淹水5天後（脫水後0h）兩者之間沒有差異。在隨後的恢復過程中，敏感Bay-0內MDA水平在3 h內急劇上升，並在監測到的恢復3 d內繼續增加。相比之下，在所有恢復時間點，Lp2-6芽中的MDA水平仍然低得多。因此，Lp2-6恢復的改善與較高的氧化應激耐受有關。進一步發現從恢復1小時開始，谷胱甘肽和抗壞血酸都在Lp2-6中顯著增加，雖然Bay-0的抗壞血酸水平增加，但與Lp2-6相比（從恢復的第1天開始）出現延遲。因此，Lp2-6具有更高的氧化應激耐受性是有更好的ROS改善能力的結果。
第四，為了能解釋Bay-0中有更高的ROS產量的原因，研究者進一步找到了催化ROS產生的質膜NADPH氧化酶RBOH D在Bay-0中淹水期間，蛋白翻譯丰度增加。進一步通過噴霧NADPH氧化酶抑製劑diphenyleneiodonium（DPI）增強了Bay-0恢復，反映出恢復1天內葉綠素含量顯著較高，新葉發育更快。因此表明過量的ROS積累限制了恢復，而在淹沒後不久之後有限的和受控的ROS產生有利於恢復。
第五，研究者觀察到與脫水相關ABA反應和衰老也在各生態型中不同，符合表型的描述，因此，下一步試圖揭示植物在恢復過程中水分如何的控制？通過在去除淹沒後的中間葉片中測量相對含水量（RWC）發現儘管Lp2-6保持了較高的水分狀況，但RWC在出苗後3小時均顯著下降。進一步發現兩者在水淹之後氣孔開放不一樣，Bay-0表現較高的開度。由於氣孔孔徑調節主要由ABA控制，研究進一步發現Lp2-6對ABA更敏感。
第六，由於Ribo-seq數據揭示了「乙烯激活的信號通路」中的特異性基因也同樣在兩者之間的不同。為了進一步研究乙烯在兩種在淹水恢復差異反應中的作用，研究者測量了全植物乙烯量，結果顯示 Lp2-6中的乙烯產量幾乎是Bay-0的一半。進一步發現SAG113和ORE1被鑒定為在水淹和恢復3小時期間Bay-0中蛋白翻譯丰度增加，而Lp2-6顯示這些轉錄物的低誘導。因此Bay-0中由於乙烯產量較高和ABA水平引起的SAG113促成了氣孔過早開放和隨後的脫水。 同時，Bay-0中較高的乙烯產生導致ORE1誘導導致衰老，主要反映在較高的葉綠素分解中。
綜上所述，通過Ribo-seq測序兩種擬南芥兩種生態型Bay-0和Lp2-6揭示了調節恢復過程的信號網路。兩者之間的恢復差異與三個基因的活性有關：NADPH氧化酶RBOHD，衰老相關基因SAG113和ORE1，它們調節退水後活性氧（ROS）爆發和脫落酸和乙烯的上升。該調控控制了ROS在恢復期間處在穩定狀態，同時控制氣孔孔徑和葉綠素降解。故該項工作揭示了一個信號網路調節洪水後的恢復過程的動態平衡。
iPlants評:
該項工作利用了擬南芥各生態型對於耐澇的不同的遺傳多樣性，通過比較敏感和耐受的兩種生態型Bay-0和Lp2-6的Ribo-seq測序數據，揭示了各激素和ROS在水淹後的作用方式。主要的亮點是利用了Ribo-seq測序方法，能夠準確的反應植物體內在水淹期間和水淹後的蛋白質翻譯丰度。同時該文下一步同樣可以通過兩種之間的不同，通過構建遺傳群體，進行mapping後也許能找到控制水淹後恢復能力的基因。
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