水稻BCAT4基因突變株幼苗對PEG模擬干旱脅迫的響應

陶寶杰，李思崎，景凝浩，沈 月，呂 冰，劉立軍，陳 云*

(1 江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，江蘇揚州225009；2 揚州大學生物科學與技術學院，江蘇揚州225009)

干旱會降低土壤水勢，使細胞無法維持膨壓，并伴隨著活性氧爆發，膜脂和蛋白質等大分子發生氧化損傷[1]，最終導致作物減產。為抵御氧化損傷，植物進化出一套高效的防御機制：一方面依靠超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶清除體內過多的活性氧[2]，另一方面積累脯氨酸、可溶性糖等滲透調節物質來抵御水分流失，結合蛋白質等大分子維持其構象[1]。目前普遍認為通過分子手段提高抗氧化能力是培育節水耐旱水稻品種的有效方式[3]。

植物中支鏈氨基酸轉氨酶(branched-chain amino acid transaminase，BCAT，EC2.6.1.42)是支鏈氨基酸(branched-chain amino acid，BCAA)代謝的關鍵酶[4]。研究表明BCAT參與對干旱脅迫的響應[5]、ABA信號通路[6]、氮饑餓脅迫[7]、病原體免疫[8]等多種生理功能。擬南芥AtBCAT3蛋白在干旱脅迫下表達量顯著升高，突變體AtBCAT3對干旱敏感[9]。大麥幼苗Hvbcat-1的轉錄水平隨干旱脅迫的增加而上升，其產生的BCAAs可以作為一種儲能物質在脅迫條件下降解供能[10]。硬粒小麥TdBCAT-A和TdBCAT-B的啟動子序列中存在脫水響應元件結合位點，干旱脅迫特異性誘導TdBCAT-A和TdBCAT-B的轉錄水平顯著上升并導致BCAAs積累[5]。水稻BCAT4是AtBCAT3的同源蛋白，定位在葉綠體，參與合成異亮氨酸和纈氨酸[11]，具有調控水稻礦質元素積累的作用[12]。目前鮮見水稻BCAT蛋白響應干旱脅迫的相關研究報道。

本實驗以野生型水稻‘日本晴’(NIP)及BCAT4缺失突變體bcat4-1為材料。用不同濃度的PEG-6000高滲溶液處理水稻幼苗，測定BCAT4表達量的變化及NIP和bcat4-1植株的相關形態生理指標，以探討BCAT4參與水稻幼苗響應干旱脅迫的生理機制，為耐旱水稻品種的培育提供思路。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗材料為野生型水稻‘日本晴’(OryzasativaL.japonica.cv.Nipponbare，NIP)及以NIP為背景通過CRISPR/Cas 9技術獲得的BCAT4突變體bcat4-1。與NIP相比，突變體bcat4-1中BCAT4基因的cDNA序列第65個堿基后插入了一個腺嘌呤而引入了一個終止密碼子TAG，導致其蛋白質序列在第22個氨基酸殘基后提前翻譯終止。

1.2 試驗設計

NIP與bcat4-1種子用2%次氯酸鈉消毒20 min，再用清水沖洗后28 ℃浸種1 d，37 ℃催芽1 d，轉移至去底的PCR板，置于培養箱中(光照16 h/8 h，溫度28 ℃/26 ℃，濕度70%)用水培營養液[13]培養21 d(清水3 d，1/2營養液7 d，全營養液11 d)后分別置于含質量濃度分別為15%、20%和25%的PEG-6000的營養液中進行脅迫處理，以不加PEG為對照。每處理300株苗，重復3次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 熒光定量PCR在不同濃度PEG處理后第0、1、3、5、7天取NIP幼苗葉片測定BCAT4表達量。提取葉片總RNA反轉錄成cDNA，按照MagicSYBR Mixture試劑盒說明書進行SYBR GreenⅠ熒光定量PCR反應。反應體系為：2 × MagicSYBR Mixture 10 μL、正反向引物各0.4 μL、cDNA模板2 μL、ddH2O補足至20 μL。反應程序：預變性95 ℃ 30 s、變性95 ℃ 5 s、退火/延伸60 ℃ 30 s，共40個循環。引物為BCAT4-F(5′-TCTTATTATTTCGCCCGGAGG-3′)和BCAT4-R(5′-AGGCACCCATCTCTTGTTTGC-3′)；Actin-F(5′-TCGTGTAGCACCAGAAGA-3′)和Actin-R(5′-TCCTGCTCGTAGAAGA-3′)。RNA提取、反轉錄與熒光定量PCR試劑盒均購自康為世紀生物科技股份有限公司。每處理取3株苗，重復3次。

1.3.2 葉綠素的相對含量分別在20% PEG處理后第0、1、3、5、7天，用葉綠素測定儀(SPAD-502)測定葉片葉綠素的相對含量(SPAD值)。每處理測3張葉片，重復3次。

1.3.3 形態生理指標在20% PEG處理后第7天取樣測定苗高、根長、地上部鮮重、地上部干重、根系鮮重、根系干重、葉片相對含水量和根系活力。葉片相對含水量(RWC)測定采用比重法，取葉片鮮樣稱重記為鮮重(FW)，將其在蒸餾水中浸沒70 min，擦干稱重記為飽和鮮重(SPW)，再烘干記為干重(DW)，計算RWC=(FW-DW)/(SPW-FW)×100%。根系活力測定采用三苯基氯化四氮唑(TTC)還原法，根樣與TTC溶液反應后，用乙酸乙酯提取反應產物測定485 nm處吸光度，計算根系活力[14]。每處理取3株苗進行以上指標的測定，重復3次。在20% PEG處理后第10天復水，于復水后第3天以每處理24株苗為基數計算存活率，存活率(%)= 存活苗數/總處理苗數×100%，重復3次。

1.3.4 滲透調節物質含量、氧化損傷指標和抗氧化酶活性在20% PEG處理后第0、1、3、5、7天分別測定地上部和根系的滲透調節物質含量和抗氧化酶活性。脯氨酸含量測定以80%乙醇提取，采用酸性茚三酮法[14]。丙二醛(MDA)含量測定以10%三氯乙酸提取，采用硫代巴比妥酸顯色法[14]。相對電導率測定采用浸泡法[15]，用數字電導率儀(DDS-12A)測定電導率。可溶性糖含量、H2O2含量、SOD酶活、POD酶活和CAT酶活測定試劑盒均購自蘇州科銘生物技術有限公司，實驗方法參照說明書。每批測定材料均另取一份樣品烘干稱重測定含水量，各指標測定結果以DW計，以消除不同樣品經PEG脅迫后植株鮮重變化差異造成的誤差。每處理取3株苗，重復3次。

1.4 數據分析

試驗數據采用統計分析軟件SPSS 25.0進行獨立樣品t檢驗分析和單因素方差分析，試驗數據均為平均值±SD(n = 3)，使用GraphPad Prism 9.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 PEG模擬干旱脅迫對水稻幼苗葉片BCAT4表達的影響

圖1顯示，隨著脅迫天數增加，在15%PEG處理后野生型NIP葉片中BCAT4基因相對表達量逐漸上升，在20%和25%PEG處理后則先上升后下降。與對照(處理后第0天)相比，BCAT4基因相對表達量在15% PEG處理后第1天就顯著增加，在處理后第7天達到最高，比對照增加了0.9倍；BCAT4基因相對表達量在20% PEG處理后第1天即比對照極顯著增加，處理后第5天達到最高，比對照增加了1.9倍，處理后第7天開始下降但仍極顯著高于對照；BCAT4基因相對表達量在25% PEG處理后第1天就比對照增加了1.0倍，并達到最大值，而在處理后第3天迅速下降，在處理后第5天就顯著低于對照。可見，20% PEG處理后NIP葉片BCAT4基因相對表達量變化幅度較大且不會過早降低。所以，后續采用該濃度處理進一步觀察表型并測定其他形態及生理指標。

以處理后第0天為對照，相同PEG濃度下不同天數對比，*表示差異顯著(P < 0.05)，**表示差異極顯著(P < 0.01)

2.2 PEG模擬干旱脅迫對水稻幼苗表型及生長的影響

2.2.1 幼苗表型20% PEG處理后，NIP和bcat4-1幼苗的生長均受到抑制，葉片隨著脅迫時間延長而逐漸干枯卷曲；與NIP相比，突變體bcat4-1表現為不耐旱，bcat4-1的葉片卷曲程度在處理后第5天顯著高于NIP(圖2)。

圖2 20% PEG處理后NIP和bcat4-1的表型

2.2.2 幼苗形態指標在不加PEG(對照)條件下，NIP與bcat4-1幼苗各項指標均無顯著差異。在20% PEG處理后第7天，NIP和bcat4-1幼苗的苗高、地上部鮮重、地上部干重、葉片相對含水量均比對照降低，降幅分別為36.2%和51.1%、56.5%和73.6%、25.0%和31.6%、25.5%和64.0%；其中bcat4-1的苗高、鮮重和葉片相對含水量均顯著低于NIP(表1)。同時，與對照相比，20% PEG處理后第7天，NIP與bcat4-1幼苗的主根長、根鮮重、根干重、根活力均顯著下降，但上述各指標在兩材料間均無顯著差異。以上結果表明在PEG模擬干旱脅迫下，NIP和bcat4-1幼苗的形態指標均受到顯著抑制；BCAT4突變顯著降低水稻幼苗苗高、地上部鮮重和葉片相對含水量，降低了水稻幼苗抗旱性，但對地下部指標無顯著影響。

表1 20% PEG處理后第7天NIP和bcat4-1幼苗形態生理指標的變化(單株)

2.2.3 幼苗復水后存活率在20% PEG處理后第10天將水稻幼苗復水，以葉片轉為鮮綠色為存活依據，于復水后第3天拍攝表型并統計NIP與bcat4-1的存活情況。bcat4-1和NIP水稻幼苗的復水后存活率分別為30.6%和61.8%，材料間差異極顯著(P<0.01)(圖3)。表明BCAT4突變后，水稻幼苗從干旱脅迫中恢復的能力顯著下降，耐旱性明顯減弱。

以NIP為對照，**表示差異極顯著

2.3 PEG模擬干旱脅迫對水稻幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素含量與植物的光合速率、生理營養狀況密切相關。20% PEG脅迫處理后，兩水稻材料幼苗葉片的SPAD值均持續降低，且bcat4-1幼苗的葉片SPAD值始終顯著低于同期NIP幼苗。其中，在處理后第1天，兩材料幼苗葉片的SPAD值差異就達到顯著水平，在處理后第5天時差異達極顯著水平，處理后第7天，bcat4-1的SPAD值比NIP極顯著降低18.04%(圖4)。

以NIP為對照，*表示差異顯著，**表示差異極顯著，圖5～7同

2.4 PEG模擬干旱脅迫對水稻幼苗脯氨酸和可溶性糖含量的影響

脯氨酸和可溶性糖是植株響應干旱脅迫過程中重要的滲透調節物質，二者的積累量與植株抗旱性成正比。隨著20% PEG脅迫處理天數增加，兩水稻材料葉片和根系中的脯氨酸和可溶性糖含量均呈逐漸上升趨勢，且bcat4-1在脅迫處理過程中始終低于同期NIP(圖5)。其中，bcat4-1葉片中脯氨酸含量始終與NIP差異顯著或極顯著，在處理后第7天比NIP極顯著降低35.55%(圖5，A)；兩材料根中脯氨酸含量均低于葉片，且在PEG處理期間差異小于葉片，在處理后第3天差異才達到顯著水平，bcat4-1在處理后第7天比NIP顯著降低13.39%(圖5，B)。在20% PEG處理后，兩材料中可溶性糖含量的變化趨勢與脯氨酸含量相似，bcat4-1葉中可溶性糖含量始終與NIP差異極顯著，在處理后第7天比NIP極顯著降低23.23%(圖5，C)；兩材料間根中可溶性糖含量差異也明顯小于葉片，僅在處理后第5天差異達到顯著水平(圖5，D)。由此可見，2個水稻材料幼苗葉片和根系的脯氨酸和可溶性糖含量均會隨干旱脅迫時間延長而上升，BCAT4缺失后顯著降低了葉片中脯氨酸和可溶性糖含量的上升幅度。

圖5 20% PEG處理后NIP和bcat4-1葉片(A、B)和根系(C、D)中脯氨酸與可溶性糖含量

2.5 PEG模擬干旱脅迫對水稻幼苗MDA和H2O2含量及相對電導率的影響

MDA、H2O2的積累量和相對電導率可以評估質膜受損程度，間接體現植株抗旱性。隨著PEG模擬干旱脅迫天數增加，兩水稻材料葉片和根系中的MDA、H2O2含量及相對電導率均逐漸增加，且bcat4-1的各指標始終高于同期NIP(圖6)。其中，兩材料間葉片MDA、H2O2含量及相對電導率在PEG處理1～7 d差異均達到顯著水平，bcat4-1葉片上述3個指標在處理后第7天分別比NIP極顯著提高31.1%、17.4%和19.8%(P<0.01)(圖6，A-C)。同時，20% PEG模擬干旱脅迫對根細胞的膜脂損傷在兩材料間差異較小，除了處理后第5天和第7天根中H2O2含量在材料間差異達顯著水平外，其余指標在處理后不同時間的差異均未達到顯著水平(圖6，D-F)。可見，BCAT4缺失顯著加劇干旱脅迫期間水稻幼苗葉片的質膜受損程度。

圖6 20% PEG處理后NIP和bcat4-1葉片(A-C)和根系(D-F)中MDA和H2O2含量及相對電導率

2.6 PEG模擬干旱脅迫對水稻幼苗抗氧化酶活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是植物體內抵抗氧化損傷最重要的酶類。隨PEG模擬干旱脅迫天數增加，兩水稻材料葉片中的SOD、POD、CAT活性均表現出先上升后下降的趨勢；NIP葉片中POD活性在處理后第3天達最大值，SOD和CAT活性在處理后第5天達最大值，而bcat4-1葉片中上述3種酶活性均在處理后第3天即達到最大值，并且這3種酶的活性始終顯著低于同期NIP，在處理后第3天分別比NIP極顯著降低17.5%、36.9%和22.3%(圖7，A-C)。同時，兩材料根中3種抗氧化酶活性隨處理時間延長一直保持上升趨勢。其中，根系SOD和POD活性在品種間差異分別在處理后第7天和第5天達到顯著水平，品種間CAT活性差異在各處理時間均不顯著(圖7，D-F)。因此，缺失BCAT4后顯著降低了干旱脅迫后水稻幼苗葉片中抗氧化酶活性，使得抗氧化酶活性上升幅度降低，下降時期提前。

圖7 20% PEG處理后NIP和bcat4-1葉片(A-C)和根系(D-F)中SOD、POD和CAT活性

3 討 論

PEG-6000具備較大的分子量，無法通過植物細胞壁且化學性質不活潑，是較為理想的滲透調節劑[16]。本試驗設置3種不同濃度的PEG模擬干旱脅迫處理，分析野生型NIP的BCAT4表達情況，確定了20% PEG為最佳處理條件，該PEG濃度下水稻幼苗BCAT4表達量上升幅度最大，又不會因過早脫水而抑制生理活動。在20% PEG-6000模擬干旱脅迫下，bcat4-1幼苗的復水存活率顯著低于NIP，且處理后bcat4-1的葉綠素含量下降幅度顯著大于NIP，耐旱性明顯減弱。

抗氧化酶系統在植物抗逆過程中發揮著重要作用[17]。在20% PEG模擬干旱脅迫下，本研究中NIP與bcat4-1葉片中的SOD、POD和CAT活性均呈現先增加后下降的趨勢，這與前人的研究結果相一致[18-20]，說明在脅迫前期植株可以依靠保護酶系統抵御氧化損傷，在脅迫后期蛋白質大量分解使得抗氧化酶的活性下降[18]。同時，本研究的bcat4-1葉片中上述3種抗氧化酶的活性始終低于NIP，抗氧化能力減弱；在干旱脅迫后期(處理后第7天)，水稻幼苗根中抗氧化酶的活性仍維持較高的水平，這是干旱脅迫下植物保護根系的重要抗旱策略[21]。另外，脯氨酸和可溶性糖具有滲透調節作用，可以緩解干旱脅迫對植株的傷害[20]。本研究中bcat4-1葉片的脯氨酸和可溶性糖含量在模擬干旱脅迫開始后上升幅度顯著低于NIP，積累滲透調節物質的能力下降。H2O2是活性氧代謝的重要中間產物，MDA含量體現了膜脂過氧化程度，而相對電導率可以評估質膜的透性，本試驗中bcat4-1葉片的上述3個指標的上升幅度均顯著高于NIP，說明BCAT4突變后幼苗地上部更易受到活性氧的傷害。活性氧的過度積累可引發葉綠素的降解[22]，導致bcat4-1的SPAD值下降幅度顯著高于NIP。另外，本研究中兩個水稻材料幼苗以上各項指標在根中的差異均小于在葉片中的差異。單因素方差分析結果表明BCAT4突變主要影響幼苗地上部的生長，而對根系的影響不顯著。結合已有報道稱BCAT4定位在葉綠體中[7]，本研究認為BCAT4主要參與水稻地上部對干旱的響應過程。

BCAT4在擬南芥中的同源蛋白AtBCAT3合成的BCAAs可作為滲透調節物質或以供能物質的方式協助植物抵御干旱脅迫[10, 23-24]，其T-DNA插入突變體在干旱脅迫下表現生長遲緩和種子產量顯著降低[9]。Jin等[12]報道了水稻BCAT4參與合成異亮氨酸和纈氨酸，本研究觀察到其缺失后表現的耐旱性下降可能與BCAAs合成減少有關。擬南芥和西蘭花中BCAT參與合成蛋氨酸衍生物[25-26]，孫陽陽認為水稻BCAT4也參與合成S-腺苷L-蛋氨酸[7]，經脫羧反應為多胺的生物合成提供氨丙基供體[27]。植物體內多胺的積累可以激活抗氧化酶系統，也可以直接發揮滲透調節和活性氧清除作用，協助植物響應干旱脅迫[28-29]。因此，BCAT4還可能參與調節多胺類物質的生物合成來協助植物響應干旱脅迫。

綜上所述，BCAT4突變抑制了水稻幼苗在PEG-6000模擬干旱脅迫下地上部滲透調節物質的積累和抗氧化酶活性，導致葉綠素含量降低，MDA和H2O2積累增加，細胞膜受損加劇，相對電導率上升，最終降低了水稻的耐旱性。本研究探討了BCAT4參與水稻干旱響應的可能機制，為水稻抗旱育種提供了一定的理論參考，但只從突變體材料出發具有一定的片面性，未來應構建BCAT4過表達材料以進一步驗證已有結論。

作者貢獻說明：陶寶杰：進行實驗，完成論文撰寫與修改；李思崎：協助完成實驗數據的分析；景凝浩：參與形態與生理指標測定；沈月：參與植物材料處理；呂冰：提出修改意見；劉立軍：提出修改意見；陳云：提出研究思路，指導實驗和論文寫作并提出修改意見。