JEB中农田晓莉、李芳军：NMT发现助壮素促棉花吸K与H⁺外排↑ (质子泵活性↑)相关为助壮素促吸K机制探索提供关键证据

基本信息

主题：NMT发现助壮素促棉花吸K与H⁺外排↑ (质子泵活性↑)相关为助壮素促吸K机制探索提供关键证据

期刊：Journal of Experimental Botany

影响因子：6.992

研究使用平台：NMT植物营养创新平台

标题：Gibberellin biosynthesis inhibitor mepiquat chloride enhances root K⁺ uptake in cotton by modulating plasma membrane H⁺-ATPase

作者：中国农业大学田晓莉、李芳军、张睿、Ning Wang

检测离子/分子指标

K⁺、H⁺

检测样品

棉花根，距根尖0~2 mm根表上的点

中文摘要（谷歌机翻）

缺钾造成作物产量和品质的严重损失。植物生长调节剂助壮素能增加棉花（Gossypium hirsutum）对K⁺的吸收，但其潜在的生理机制尚不清楚。本研究中采用了一种非损伤微测技术（NMT），测量了有无K⁺通道抑制剂、K⁺转运体、非选择性阳离子通道和质膜H⁺-ATPase抑制剂的根尖K⁺和H⁺流速。研究发现，在助壮素溶液中浸泡种子会增加棉花幼苗中由K⁺通道介导的K⁺内流，减少由非选择性阳离子通道介导的K⁺外排。助壮素还增加了根系的负膜电位（Em）和质膜H⁺-ATPase的活性，这是由于较高水平的基因表达和质膜H⁺-ATPase的蛋白积累以及H⁺-ATPase 11（GhAHA11）磷酸化所致。因此，H⁺-ATPase介导的质膜超极化能够刺激助壮素处理下的根系K⁺通道的活性。此外，助壮素处理下K⁺外排的减少与根部H₂O₂积累的减少有关。本研究结果为深入了解助壮素诱导棉花吸收K⁺的机制提供了重要的启示，有可能帮助改善K营养，提高棉花产量。

离子/分子流实验处理

①将种子浸泡在0（对照组）、1716 μM助壮素的溶液中，在砂培养基中发芽5 d，然后转移到含有0.1 mM K⁺、K⁺通道（20 mM TEA⁺）、K⁺转运体（2 mM NH₄⁺）、非选择性阳离子通道（10 mM Ca²⁺）或PM H⁺-ATPase（1 mM Vanadate）抑制剂的溶液中30分钟。
②10 mM H₂O₂实时处理0、1716 μM助壮素处理的幼苗。

离子/分子流实验结果

为了确定助壮素诱导幼苗吸收K⁺的潜在机制，研究使用NMT结合K⁺通道或K⁺转运蛋白抑制剂，测量了萌发后5 d时主根中的净K⁺流速。首先测定了从根尖到根尖后2 mm处的净K⁺流速。在助壮素中浸泡种子一直导致该区域的K⁺内流速率增加，在距离根尖300 μm处出现一个峰值（图1A），那里的内流速率比对照组高38%（图1B）。因此，研究将对这个位置进行进一步K⁺和H⁺流速的测量。

为了区分K⁺通道和转运体对吸收的贡献，研究施加2 mM NH₄⁺作为高亲和力K⁺转运体的抑制剂和20 mM TEA⁺作为特定的K⁺通道抑制剂。当单独和一起施药时，与空白溶液相比，两者都导致K⁺内流速率降低（图1B），但只有NH₄⁺对转运体的抑制导致了助壮素和对照之间的显著差异，在助壮素处理的幼苗中使K⁺内流速率增加了25%。因此，K⁺通道可能对助壮素诱导幼苗吸收K⁺发挥了主要作用。

图1. 用助壮素浸泡棉花种子可提高幼苗对K⁺通道介导的K⁺吸收。负值代表K⁺吸收。

Vanadate经常被用来抑制PM H⁺-ATPase的活性。在没有Vanadate的情况下，用助壮素处理会增加主根根尖的H⁺外排和K⁺内流（图2）。然而，Vanadate的存在几乎完全消除了对照和助壮素处理幼苗根部的H⁺外排（图2A），减少了K⁺内流，尤其是助壮素处理幼苗（图2B）。这些结果表明，经助壮素处理的幼苗对K⁺的吸收能力强，取决于PM H⁺-ATPase的活性。

图2. 用助壮素浸泡棉花种子对幼苗根部的净H⁺和K⁺流速的影响。正值代表H⁺外排，负值代表K⁺吸收。

细胞质K⁺通过K⁺吸收和外排系统的平衡活性维持动态平衡。在不含K⁺的测试液中，用NMT测定了主根根尖的K⁺外排速率，发现助壮素浸种显著降低了K⁺外排（图3），这可能有利于K⁺的保留。使用非选择性阳离子通道（NSCCs；10 mM Ca²⁺）和K⁺通道（20 mM TEA⁺）的阻断剂，研究发现前者几乎完全抑制了K⁺外排，并消除了对照和助壮素处理之间的外排差异。相比之下，20 mM TEA⁺对K⁺外排影响不大，没有改变对照组和助壮素处理之间的差异。因此，似乎根细胞释放K⁺可能是由NSCCs介导的，并且助壮素处理种子可以保持根细胞中的细胞质K⁺稳态，至少部分通过抑制NSCCs的活性。

图3. 用助壮素浸泡棉花种子可减少幼苗根部由NSCCs介导的K⁺外排。正值代表K⁺外排，负值代表K⁺吸收。

活性氧（ROS）可以诱导高等植物的K⁺外排。植物体内最丰富、最稳定的ROS是H₂O₂，在逆境胁迫下积累。H₂O₂可以通过位于细胞壁上的过渡金属和抗坏血酸转化为·OH，从而激活K⁺外排。研究发现在测试液中加入10 mM H₂O₂后，在主根根尖发现了强烈而瞬时的K⁺外排（图4A）。在施加H₂O₂后约300 s内，与对照组相比，助壮素处理组使K⁺外排减少，在稳定状态下，与对照组相比，外排减少23%（图4B）。

图4. 用助壮素浸泡棉花种子可以减少H₂O₂引起的幼苗根部的K⁺外排。正值代表K⁺外排，负值代表K⁺吸收。

其他实验结果

在助壮素中浸种提高低钾胁迫下幼苗对K⁺的吸收。
助壮素浸泡的种子通过调节根中质膜H⁺-ATPase而增加K⁺的吸收。

结论

研究表明，施用助壮素可以促进棉花根系的生长发育，增加对N、P、K的吸收。这项研究证实将棉花种子浸泡在助壮素中可以增加后续的根系生物量。重要的是，研究发现除了增加根系的大小外，助壮素还通过增强根系K⁺内流和减少K⁺外排来提高K⁺的吸收。助壮素处理导致质膜超极化，显然是通过编码H⁺-ATPases的GhAHA2/5/11表达增加，GhAHAs总蛋白水平升高，使GhAHA11磷酸化，从而激活AKT1等K⁺通道。助壮素处理后K⁺外排减少主要是由NSCCs介导的，可能是通过减少ROS在根部的积累（图5）。