Plant Soil南土所施卫明：NMT通过测定高铵下根排NH₄⁺/H⁺速率 为揭示IAA内稳态参与植物应对铵毒的机制提供证据

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基本信息

主题：NMT通过测定高铵下根排NH₄⁺/H⁺速率 为揭示IAA内稳态参与植物应对铵毒的机制提供证据

期刊：Plant and Soil

影响因子：4.993

研究使用平台：NMT水旱胁迫创新平台

标题：PIN5 is involved in regulating NH4+ efflux and primary root growth under high-ammonium stress via mediating intracellular auxin transport

作者：中国科学院南京土壤研究所 施卫明 狄东伟

 

检测离子/分子指标

NH₄⁺和H⁺

 

检测样品

拟南芥根（分生区和伸长区）

 

中文摘要

铵(NH₄⁺)是许多生态系统和农业系统中重要的氮(N)来源，但过量的NH₄⁺对根系生长发育有害，特别是当NH₄⁺是唯一的N源时。以往研究表明，PIN2和AUX1介导的极性生长素(吲哚-3-乙酸，IAA)转运对维持高NH₄⁺胁迫下侧根发育至关重要。然而，高NH₄⁺胁迫下亚细胞IAA内稳态的调控仍不清楚。本研究利用细胞内IAA转运蛋白PIN5和质膜H+- ATPases AHA1和AHA2的敲除突变体，测定了根的主根长度、跨膜H⁺通量和根中的NH₄⁺通量。高NH₄⁺通过上调PIN5的表达扰乱了亚细胞IAA的稳态。敲除PIN5导致高NH₄⁺胁迫下胞质IAA积累增加，NH₄⁺流出减少。NH₄⁺处理促进了根伸长区H⁺外排，进而促进了NH₄⁺外排，并参与了PIN5介导的细胞内IAA转运。此外，在高NH₄⁺条件下，稳定根际pH减少了NH₄⁺的外排，促进了pin5突变体的初生根生长。研究结果为亚细胞IAA内稳态通过协调调节NH₄⁺外排和H⁺外排在高NH₄⁺应激下的作用提供了机制解释。

 

离子/分子流实验处理方法

7天龄拟南芥幼苗转移至含或者不含30mM NH₄Cl培养板继续培养12小时测试NH₄⁺流；

7天龄拟南芥幼苗检测H⁺流，测试3分钟后加入NH₄Cl继续测试H⁺流6分钟。

 

离子/分子流实验结果

由于高铵可以通过上调PIN5的表达降低胞质游离IAA的水平，且早期研究显示IAA影响根系的NH₄⁺和H⁺外排，故首先采用非损伤微测技术（NMT）检测高铵胁迫下H⁺流情况。结果显示，高铵瞬时处理会促进根分生区和伸长区的H⁺外排，但功能失活突变体pin5的H⁺外排明显强于野生型，且外源添加IAA或者IAA合成抑制剂L-Kyn能够增强或减弱根伸长区的H⁺外排（图1），表明PIN5突变导致根内游离IAA增加，能够促进H⁺外排。

 

图1 PIN5参与调控高铵胁迫下根伸长区的H+流

进一步测试NH₄⁺流显示，pin5根，尤其是伸长区的NH₄⁺外排明显弱于野生型（图2），表明PIN5突变导致根内游离IAA增加，能够抑制NH₄⁺外排。

 

图2. PIN5促进根尤其是伸长区的NH4+外排

为进一步探究H⁺外排与NH₄⁺外排的关联性，随后直接测试PM ATPase突变体aha1和aha2中NH₄⁺流，结果显示根伸长区的NH₄⁺外排明显弱于野生型（图3），表明H⁺外排正调节NH₄⁺的外排。

 

图3 AHA1和AHA2参与调控高铵诱导的NH4+外排和主根伸长

而在外源添加质子ATP酶抑制剂VA的情况下，pin5根伸长区的NH₄⁺会进一步减弱，根系生长更好（图4）。

 

图4. PIN5调控高铵胁迫下主根伸长部分依赖于质膜ATP酶活力

 

 

 

其他实验结果

• 高NH₄⁺通过上调PIN5的表达扰乱了亚细胞IAA的稳态。敲除PIN5导致高NH₄⁺胁迫下胞质IAA积累增加。

 

结论

植物亚细胞IAA内稳态可以通过协调调节NH₄⁺外排和H⁺外排参与响应高铵胁迫。

 

测试液

NH₄⁺流：0.2 mM NH₄Cl,0.1 mM CaCl₂, pH 5.7

H⁺流：600 mM NH₄Cl, 0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, 2.5 mM Ca(NO₃)₂, pH 5.7

 

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

文章原文：https://doi.org/10.1007/s11104-023-05869-z

 

供稿：狄东伟

编辑：叶斌，刘兆义

 

关键词：NH₄⁺；H⁺；高铵胁迫；植物营养；拟南芥；根；植物类

 

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