サトウキビの根系における重要な分子シグナル伝達経路と乾燥適応可塑性を解明するための比較トランスクリプトームプロファイリング

Aug 04, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12853 (2023) この記事を引用

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サトウキビの根系は、表面の沈着根と深く浸透するシュートボーン根 (SBR) で構成され、後者は永久根系です。 サトウキビでは、健全な SBR が作物の収量向上に貢献し、収穫後に複数のラトゥーン作物を生産するのにも役立ちます。 SBR システム アーキテクチャと、現代の商用ハイブリッドにおけるその機能的役割に関する深い知識は不足しています。 市販のサトウキビ雑種と野生生殖質エリアンサスとの間で行われた包括的な表現型、解剖学的、および全体のトランスクリプトームプロファイリングにより、市販雑種ではエリアンサスと比較してSBRの開始と確立の両方において発達の遅れが見出された。 エリアンサスの SBR システムは、干ばつ耐性に大きく貢献する広範な干ばつ適応根系アーキテクチャであることが証明されました。 一方、市販の雑種の SBR は、乾燥ストレス下で根細胞の不可逆的な崩壊と損傷を示しました。 トランスクリプトームデータの比較分析の結果は、エリアンサスのSBRにおける重要なストレスシグナル伝達経路、つまり糖、カルシウム、ホルモンシグナル伝達、フェニルプロパノイド生合成を調節する遺伝子の有意な上方制御を示した。 これらの重要なシグナル伝達経路を通じて、エリアンサス SBR は下流のシグナル伝達カスケードを引き起こし、浸透圧保護、細胞壁の修飾、活性酸素種の解毒、乾燥応答性転写因子の発現、細胞の安定性と側根の維持などの生理学的反応を伝達することが判明しました。発達。 現在の研究は、乾燥耐性のあるサトウキビ遺伝子型を開発するための貴重な育種標的としてシュートボーンルートシステムをさらに探索するための基礎を形成する。

世界的には、干ばつ、塩分、浸水、高温、その他の異常気象などの非生物的ストレスの頻度が年々増加しています1。 サトウキビは経済的に最も重要な商品作物の 1 つであり、世界中の主要な砂糖供給源です。 しかし、干ばつは世界中でサトウキビの生産性と生産に影響を与える大きな問題として浮上しています。 インドは面積510万ヘクタールでサトウキビ栽培の先進国の一つ。 現在、インドではサトウキビ栽培が行われている約 29 万ヘクタールの土地が干ばつになりやすいと報告されています 2,3,4,5,6。 干ばつストレスは、特に作物の形成段階で、収量の 50% 以上を阻害します 7,8。 耐性があり、より適応性の高い品種を使用することは、干ばつストレス条件下で持続可能な生産性を達成するのに役立ちます8。

干ばつに強い作物や適応作物を開発するために、より優れた根系構造を持つ植物が育種プログラムで広くターゲットにされてきました9。 根は、植物体内で乾燥ストレスを感知し、ストレス信号伝達カスケードを開始する最初の器官です。 シグナル伝達カスケードは、植物に代謝および分子の変化を引き起こし、極限の環境条件下でも適応できるようにします10,11。 限られた水の利用可能性の下で機能を維持するための根の戦略をよりよく理解できるように、根の分子シグナル伝達経路とその制御機構を解明するために、以前から広範な研究が行われてきました10、11、12、13。

サトウキビの根系は、その発達のさまざまな段階でさまざまな種類の根系を形成するため、本質的に非常に多様です14。 一次根、すなわち集合根は、芽の発芽中に栄養集合体の根の目から形成されます。 苗の発育をサポートしますが、発芽後 60 ～ 90 日以内に最終的に分解します。 セット植えの 5 ～ 7 日後、連続した苗条節からより厚く永続的な苗条由来根 (SBR) が生じます。 この根系は単子葉植物に特有であり、成虫の体力と最終作物の収量に寄与することでサトウキビの永続的な根系を形成します14,15。