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EEB南农郭振飞组:NMT发现盐胁迫下PvHAK16促根系吸Na排K致Na/K比↑ 为PvHAK16负调控植物耐盐提供直接证据


 

 

 

 

 

基本信息

主题:NMT发现盐胁迫下PvHAK16促根系吸Na排K致Na/K比↑ 为PvHAK16负调控植物耐盐提供直接证据

期刊:Environmental and Experimental Botany

影响因子:5.545

研究使用平台NMT植物耐盐创新平台

标题:A novel salt responsive PvHAK16 negatively regulates salt tolerance in transgenic Arabidopsis thaliana

者:南京农业大学施海帆、郭振飞、Mengtong Dai、Risheng Huang

 

检测离子/分子指标

Na+K+

 

检测样品

拟南芥,根伸长区(距根尖600-800 μm)

 

中文摘要

    HAK/KUP/KT转运体在植物应对盐胁迫时维持K+和Na+稳态中发挥重要作用。本研究从盐生植物海雀稗(Paspalum vaginatum O. Swartz)中鉴定了一个盐诱导的PvHAK16。PvHAK16定位于质膜上,在叶片中高表达,而在根中不表达。与野生型相比,过表达PvHAK16降低了拟南芥种子的发芽率、地上部重量、Fv/Fm和存活率,但增加了盐胁迫后的离子渗漏。盐胁迫后转基因株系中Na+水平升高,K+水平降低,导致Na+/K+比值升高,这是转基因植株Na+净内流和K+净外流共同作用的结果。结果表明,PvHAK16可使盐胁迫下的Na+吸收和K+外排,从而负调节植物耐盐性。此外,PvHAK16的表达改变了转基因植株离子稳态相关基因K+-Uptake Permease 7 (KUP7), Potassium Transport2/3 (AKT2), Salt Overly Sensitive 1 (SOS1)和Gated Outwardly-Rectifying K+ Channel (GORK)的转录水平,这些基因的转录水平与Na+/K+比值的增加有关。转基因植株通过降低SOD活性和脯氨酸积累,降低胁迫响应基因的转录水平,促进氧化损伤。

 

离子/分子流实验处理方法

75 mM NaCl处理16 h

 

离子/分子流实验结果

      为了进一步研究盐胁迫条件下过表达PvHAK16对拟南芥根系中Na+/K+稳态的影响,研究用非损伤微测技术NMT)检测了拟南芥根部Na+/K+净流速。正常条件下,WT和转基因株系的Na+和K+的内流和外排速率均较低且相似。盐胁迫条件下,在WT和转基因株系中,Na+和K+均表现出较高的外排速率,此外,转基因株系的Na+外排速率低于WT,K+外排速率高于WT。这些结果表明,过表达PvHAK16促进了Na+吸收和K+外排,然而降低了K+吸收和Na+外排,导致转基因植株的Na+/K+比高于野生型植株(图1)。

 

1. 过表达PvHAK16对15日龄拟南芥幼苗根尖伸长区Na+和K+的净流速的影响。(a, b)对照组、(c, d)盐处理组正值代表离子外排,负值表示离子吸收。

 

其他实验结果

  • 本研究克隆了PvHAK16的一个2451bp的开放阅读框(ORF)。它编码一个包含816个氨基酸的肽段,有11个跨膜区。
  • PvHAK16蛋白的亚细胞定位及其表达模式分析表明PvHAK16定位于质膜。本研究分析了PvHAK16的组织特异性表达,其中叶片的转录水平最高,茎、匍匐茎和根的转录水平较低;盐胁迫2 h后,根系PvHAK16转录水平提高,而24 h后转录水平下降;盐胁迫6 h后叶片中PvHAK16转录水平提高,并且在48 h内保持在高水平。
  • 过表达PvHAK16的转基因植物的耐盐性分析表明在3个纯合子的野生型细胞系(OE57、OE73和OE99)中检测到PvHAK16转录本;在对照和盐胁迫条件下,WT与转基因株系的根长均无显著差异;盐胁迫抑制了地上部分的生长,转基因株系的地上部分鲜低于WT;转基因和不含NaCl的1/2 MS培养基上的种子萌发率相当;盐胁迫导致WT和转基因株系的种子萌发率均下降,且转基因株系种子萌发率均低于WT。
  • PvHAK16影响K+/Na+稳态。50 mM NaCl处理后,根部和地上部分Na+浓度显著升高,K+浓度降低,转基因株系中Na+水平较高,而K+水平低于WT;随着Na+和K+浓度的改变,转基因株系植株根和地上部分的Na+/K+比值均高于野生型。
  • 涉及离子稳态和应激反应相关基因的转录本分析表明:盐处理后在转基因株系中KAT2转录水平被诱导,但在WT中没有改变;此外,盐处理诱导了KUP7AKT2GORK的转录水平,但与WT相比,转基因株系中KUP7AKT2转录水平较低,GORK转录水平较高;盐处理后WT诱导SOS1转录水平提高,但在转基因株系中没有显著改变;盐胁迫后,所有植株的RD29AKIN2P5CS1转录水平被显著诱导,但转基因植株的转录水平低于WT。
  • 活性氧(ROS)、抗氧化酶活性和脯氨酸含量分析:NBT和DAB染色结果显示,盐胁迫导致O2.-和过氧化氢的积累,但WT的积累水平低于转基因株系;在对照条件下,WT与转基因植株的SOD活性无差异;经盐胁迫处理后,所有植株的SOD活性均有所增加,但转基因植株的活性低于野生型;与野生型相比,所有植株的脯氨酸浓度均显著增加,而转基因株系的脯氨酸浓度均低于WT;在盐胁迫下,PvHAK16的表达导致转基因植株中SOD活性和脯氨酸浓度降低,ROS积累增加。

 

结论

综上所述,新型盐响应型PvHAK16负调控植物耐盐性,盐胁迫条件下它调控Na+内流和K+外排,导致Na+/K+比率增加。此外,PvHAK16的过表达导致KUP7AKT2GORKSOS1以及应激反应基因的转录水平的改变,并通过SOD活性和脯氨酸积累的降低而促进ROS的积累。PvHAK16在作物中的同源基因被认为是提高作物耐盐性的潜在靶基因。

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, 5 mM NaCl, pH 6.0

 

NMT试验标准化方案

 

·盐胁迫研究NMT标准化方案

 

NMT仪器信息

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统

 

 

 

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0098847221003191?via%3Dihub

供稿:赵雪琦
编辑:刘兆义

 

关键海雀稗;PvHAK16;离子稳态;抗氧化防御系统;耐盐性;植物类