近日，中国农业大学园艺学院眭晓蕾教授课题组在New Phytologist杂志在线发表了题为“Disruption of the amino acid transporter CsAAP2 inhibits auxin-mediated root development in cucumber”的研究论文。该研究揭示了黄瓜氨基酸转运蛋白家族成员CsAAP2间接通过生长素极性运输参与黄瓜根系发育的分子生理机制。
氨基酸是植物生长发育所必需的营养物质，也是有机氮在植物体内长距离运输及“源库”间再分配的主要形态，而氨基酸转运蛋白在植物体内氨基酸的吸收和转运过程中发挥着重要作用，参与植物的生长发育。目前在拟南芥和水稻等模式植物中已鉴定出多个氨基酸转运蛋白并进行了功能研究，但是迄今为止，有关黄瓜中氨基酸转运蛋白的深入功能解析鲜见报道。
利用生物信息学分析，该研究在黄瓜基因组中共鉴定出86个黄瓜氨基酸转运蛋白编码基因。该研究发现，氨基酸转运蛋白AAP亚家族成员CsAAP2在黄瓜根系中高度表达，进一步通过发根农杆菌介导的黄瓜毛状根遗传转化体系进行启动子-GUS活性检测，结合亚细胞定位实验表明CsAAP2定位于根系中柱组织（维管束Vas和中柱鞘Per）的细胞质膜上（图1）。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术介导的黄瓜稳定遗传转化体系创制了CsAAP2基因敲除突变体，发现aap2突变体主根和侧根根尖的分生组织细胞分裂异常，静止中心、皮层/内皮层起始细胞及其中柱干细胞群细胞分裂数减少，导致根系伸长生长和侧根起始受到明显抑制（图2），主根长度和侧根数量显著减少。
此外，利用15N同位素标记实验，以及对CsAAP2基因敲除株系根系中的游离氨基酸含量测定表明，CsAAP2功能的缺失导致黄瓜根系质外体空间游离氨基酸含量显著增加，氨基酸在根系维管组织的装载受到抑制。后续研究表明，aap2突变体根系中过度累积的游离氨基酸可能造成根系质外体空间H+富集和过度酸化，进而干扰了根系中生长素的生物合成与极性运输，进一步影响了根系中局部生长素的浓度梯度分布，从而阻碍黄瓜根系的生长发育（图3，图4）。另外，黄瓜aap2突变体根系中与木质素生物合成相关基因表达量显著上调，木质素含量明显升高并沉积于根系中柱维管组织，导致根系发育早期维管组织过早木质化，进而影响根系的生长。
图4 氨基酸转运蛋白CsAAP2在黄瓜根系生长发育中发挥功能的假定工作模型
另一方面，植物根系中的游离氨基酸通过维管木质部运输至地上部，该研究发现黄瓜aap2突变体（茎）木质部汁液中大部分游离氨基酸含量显著低于野生型植株（图5），表明突变体根系中游离氨基酸向植株地上部的运输受到较大程度的阻碍。此外，黄瓜aap2植株叶片和果实中总游离氨基酸及其总氮含量均明显下降（图5），这表明根系的发育状态及其木质部氨基酸的转运对地上部植株组织中氮水平的变化具有显著影响。
图5 氨基酸转运蛋白CsAAP2影响黄瓜地上部组织氮素的含量
目前关于氨基酸转运蛋白在根系发育中的功能研究鲜有报道，本研究为氨基酸转运蛋白家族基因在其他植物根系发育中的作用提供了新的见解和思路。
中国农业大学园艺学院在读博士研究生姚学辉为论文第一作者，眭晓蕾教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金以及国家重点研发计划课题等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1111/nph.18947
