Leaf Gas Film 1 promotes glycerol ester accumulation and formation of a tight root barrier to radial O2 loss in rice  

叶面气膜1促进水稻根部甘油酯积累及形成紧密的径向氧损失屏障  

来源：Plant Physiology  

《植物生理学》  

 

摘要内容  

摘要指出，水稻（Oryza sativa）在土壤淹水条件下会形成根外层细胞壁的质外体屏障，以限制氧气通过径向流失到根际环境，从而维持根尖的氧气供应以支持根系生长。研究聚焦于LGF1（Leaf Gas Film 1）基因的功能，发现该基因不仅调控叶片疏水性，还参与根部屏障的形成。通过比较野生型、LGF1突变体（drp7）和LGF1过表达株系，发现突变体的屏障功能较弱，而引入功能性LGF1后屏障功能完全恢复。这种屏障功能的差异与根外层细胞中甘油酯的积累相关，而非总木栓质或木质素含量的差异。  

 

研究目的  

验证LGF1基因在调控水稻根部外层质外体屏障形成中的作用，并明确其通过甘油酯积累增强屏障功能的机制。  

 

研究思路  

基因表达分析：通过qRT-PCR和GUS报告基因定位LGF1在根部的表达模式（图1A-B）。  

 

 

表型与功能验证：比较野生型、突变体和过表达株系在淹水条件下的根屏障功能（径向氧损失、皮层氧气状态）（图1C-E，图2A-B）。  

 

 

解剖与化学分析：测量根解剖结构（通气组织、直径）、木栓质、可溶性脂质（包括甘油酯）和木质素含量（图2C-D，图3A-E，图4A-C）。  

 

 

 

 

基因功能恢复：通过过表达LGF1验证其对屏障功能的恢复作用（图2A-B）。  

 

测量数据及其意义  

根皮层氧气状态（图1C）：使用氧气微电极测量不同基因型根皮层的氧分压（pO2），显示突变体在淹水条件下氧气保留能力较弱，表明屏障功能缺陷。  

氧气消耗速率（图1D）：突变体与野生型的根系呼吸速率无差异，排除代谢差异的影响。  

径向氧损失（ROL）（图1E，图2A）：突变体在淹水条件下ROL较高，过表达株系恢复为低ROL，直接证明LGF1对屏障功能的调控作用。  

 

解剖结构（图2C-D）：野生型具有更发达的通气组织和更粗的根，但过表达株系与突变体无差异，表明LGF1不直接调控这些性状。  

化学分析（图3，图4）：突变体的总木栓质、木质素和可溶性脂质与野生型无差异，但甘油酯（特别是C24-C32链长）含量显著降低（图4A-C），表明甘油酯是屏障功能的关键因素。  

 

结论  

LGF1基因通过促进根外层细胞中甘油酯的积累，增强质外体屏障的紧密性，从而减少氧气的径向流失。  

 

甘油酯（而非总木栓质或木质素）是屏障功能的关键化学组分，填补了此前对根屏障中可溶性脂质作用的认识空白。  

 

LGF1的双重功能（叶片疏水性与根部屏障）为培育耐涝水稻提供了新靶点。  

 

丹麦Unisense电极测量数据的研究意义  

使用Unisense氧气微电极（如OX-25和OX-10）测量的数据（图1C-E，图2A）揭示了以下关键点：  

皮层氧气动态：在淹水条件下，野生型根皮层的氧气分压显著高于突变体（图1C），表明其屏障有效减少了氧气流失，维持了内部氧气的纵向运输。  

屏障功能的定量评估：通过测量不同根段的ROL（图1E），发现突变体在淹水条件下近根尖区域的氧损失速率更高，直接证明其屏障功能缺陷；而过表达株系的ROL曲线与野生型重叠，验证了LGF1的功能恢复作用。  

环境响应机制：电极数据结合呼吸速率测量（图1D），排除了代谢差异的干扰，明确了屏障的物理特性（而非代谢活性）是氧气保留的主要因素。  

这些数据为理解植物根部适应低氧环境的机制提供了直接证据，并建立了基因表达（LGF1）-化学组成（甘油酯）-生理功能（屏障效率）之间的因果关系。