사탕수수의 싹 유래 뿌리 시스템에서 주요 분자 신호 전달 경로와 가뭄 적응성 가소성을 밝히기 위한 비교 전사체 프로파일링

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12853(2023) 이 기사 인용

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사탕수수 뿌리 체계는 표층 정착 뿌리와 깊이 침투하는 새싹 뿌리(SBR)로 구성되며 후자가 영구 뿌리 체계입니다. 사탕수수에서 건강한 SBR은 더 나은 작물 수확량에 기여하고 수확 후 여러 개의 라툰 작물을 생산하는 데도 도움이 됩니다. SBR 시스템 아키텍처와 현대 상업용 하이브리드에서의 기능적 역할에 대한 심층적인 지식이 부족합니다. 상업용 사탕수수 잡종과 야생 생식질 Erianthus 사이에서 수행된 포괄적인 표현형, 해부학적 및 전체 전사체 프로파일링은 Erianthus와 비교하여 상업용 잡종에서 SBR의 개시 및 확립 모두에서 발달 지연을 발견했습니다. Erianthus의 SBR 시스템은 가뭄 내성에 크게 기여하는 광범위한 가뭄 적응 루트 시스템 아키텍처임이 입증되었습니다. 반면, 상업용 잡종의 SBR은 가뭄 스트레스 하에서 뿌리 세포의 돌이킬 수 없는 붕괴와 손상을 보여주었습니다. 전사체 데이터의 비교 분석 결과는 Erianthus의 SBR에서 중요한 스트레스 신호 전달 경로, 즉 설탕, 칼슘, 호르몬 신호 및 페닐프로파노이드 생합성을 조절하는 유전자의 상당한 상향 조절을 보여주었습니다. 이러한 주요 신호 전달 경로를 통해 Erianthus SBR은 삼투압 보호, 세포벽 변형, 활성 산소종의 해독, 가뭄 반응 전사 인자의 발현, 세포 안정성 및 측근 유지와 같은 생리학적 반응을 전달하기 위해 하류 신호 전달 계통을 촉발시키는 것으로 밝혀졌습니다. 개발. 현재 연구는 가뭄에 강한 사탕수수 유전자형을 개발하기 위한 귀중한 육종 목표로서 Shoot Borne Root 시스템을 추가로 탐색하기 위한 기초를 형성합니다.

전 세계적으로 가뭄, 염분, 침수, 고온 및 기타 극한 기후 조건과 같은 비생물적 스트레스의 빈도는 매년 증가하고 있습니다1. 사탕수수는 경제적으로 가장 중요한 상업용 작물 중 하나이며 전 세계적으로 설탕의 주요 공급원입니다. 그러나 가뭄은 전 세계적으로 사탕수수의 생산성과 생산에 영향을 미치는 주요 문제로 대두되고 있습니다. 인도는 510만 헥타르의 면적을 가지고 있으며 사탕수수 재배의 선두 국가 중 하나입니다. 현재 인도에서 사탕수수를 재배하는 약 29만 헥타르의 땅이 가뭄에 취약한 것으로 보고되었습니다2,3,4,5,6. 특히 작물 형성 단계의 가뭄 스트레스는 수확량의 50% 이상을 억제합니다7,8. 내성이 강하고 적응력이 더 좋은 품종을 사용하면 가뭄 스트레스 상황에서 지속 가능한 생산성을 달성하는 데 도움이 될 것입니다8.

가뭄 저항성 또는 적응성 작물을 개발하기 위해 더 나은 뿌리 시스템 구조를 가진 식물이 육종 프로그램에서 널리 표적화되었습니다9. 뿌리는 가뭄 스트레스를 감지하고 스트레스 신호 폭포를 시작하는 식물 신체의 첫 번째 기관입니다. 신호 전달 계통은 식물의 대사 및 분자 변화를 일으켜 극한 환경 조건에 적응할 수 있게 합니다10,11. 제한된 물 가용성 하에서 기능을 유지하기 위한 뿌리 전략을 더 잘 이해할 수 있도록 뿌리 분자 신호 전달 경로와 그 조절 메커니즘을 밝히기 위해 이전에 광범위한 연구가 수행되었습니다.

사탕수수 뿌리 시스템은 발달의 여러 단계에서 다양한 유형의 뿌리 시스템을 형성하기 때문에 본질적으로 매우 다양합니다14. 일차뿌리, 즉 정뿌리는 새싹이 발아하는 동안 영양정의 뿌리 눈에서 형성됩니다. 이는 묘목 발달을 지원하는 동시에 발아 후 60~90일 이내에 결국 분해됩니다. 정자를 심은 후 5~7일이 지나면 연속적인 새싹 마디에서 더 두껍고 영구적인 새싹 뿌리(SBR)가 발생합니다. 이 뿌리 시스템은 외떡잎식물에 고유하며 성체 건강 및 최종 작물 수확량에 기여하여 사탕수수의 영구 뿌리 시스템을 형성합니다14,15.