PP青农学者：NMT发现铝胁迫下MT处理、过表达STOP1或NHX2均可促苹果根泌H+↑ 为探究MT缓解苹果铝胁迫的机制提供证据

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基本信息

主题：NMT发现铝胁迫下MT处理、过表达STOP1或NHX2均可促苹果根泌H+↑ 为探究MT缓解苹果铝胁迫的机制提供证据

期刊：Plant Physiology

影响因子：7.4

研究使用平台：NMT铝胁迫创新平台

标题：Melatonin promotes Al3+ compartmentalization via H+ transport and ion gradients in Malus hupehensis

作者：青岛农业大学王彩虹、郑晓东、边传杰

获奖情况：该成果获得2022-2023年度“中关村优秀NMT成果奖”一等奖

NMT文章作者点击申奖

 

检测离子/分子指标

H⁺

 

检测样品

苹果根（距根尖100 μm根表上的点）

 

供稿人简介

郑晓东，青岛农业大学园艺学院教授，山东省泰山学者青年专家，博士生导师。围绕果树矮生和耐盐碱砧木资源选育及机理解析方向进行研究。获得国家自然科学基金面上项目、青年项目等国家级项目；山东省青创人才引育计划、山东省自然科学基金博士基金等多个省部级项目的资助；以第一作者或通讯作者在一区TOP期刊New Phytol、Plant Physiol、Plant Biotechnol J、Plant J等重要期刊上发表SCI论文20余篇；授权国内外发明专利4项。

 

中文摘要

苹果(Malus domestica)果园土壤酸化导致对根有毒性的铝离子(Al³⁺)释放到土壤中。褪黑素(MT)参与植物对非生物胁迫的反应，然而，它在苹果AlCl₃胁迫中的作用尚不清楚。本研究发现，在平邑甜茶(Malus hupehensis)中，根施1 μM MT显著缓解了AlCl₃胁迫(300 μM)，表现为鲜重和干重增加，光合能力增强，根系长且多。MT的功能主要是在AlCl3胁迫下调节液泡H⁺/Al³⁺交换，维持胞质H⁺稳态。转录组测序分析发现，AlCl₃和MT处理均诱导了转录因子MdSTOP1 (SENSITIVE TO PROTON RHIZOTOXICITY 1)的表达。在苹果中，过表达MdSTOP1通过提高液泡H⁺/Al³⁺交换和H⁺向质外体的外排，提高了对AlCl₃的耐受性。我们确定了2个转运基因，MdALS3和MdNHX2，作为MdSTOP1的下游靶点。MdSTOP1与转录因子NAM ATAF和CUC 2 (MdNAC2)相互作用，诱导MdALS3表达，通过将Al³⁺从细胞质转移到液泡中来降低Al毒性。此外，MdSTOP1和MdNAC2共同调控MdNHX2的表达，通过调控液泡H⁺的外排形成离子梯度，从而促进Al³⁺的内流并维持液泡离子平衡。综上所述，我们的研究结果揭示了缓解苹果AlCl₃胁迫的MT-STOP1+NAC2-NHX2/ALS3-液泡H+/Al³⁺交换模型，为MT在农业中的实际应用奠定基础。

 

离子/分子流实验处理方法

2月龄苹果幼苗300 μM AlCl₃ KCl处理6 h

2月龄苹果幼苗300 μM AlCl₃+1μM MT处理6 h

超表达MdSTOP1/ MdNHX2转基因苹果幼苗2月龄300 μM AlCl3处理6 h

 

离子/分子流实验结果

1. 为了探索根细胞与根外的H⁺运输，通过H离子染色(TTC染色法)和 HPTS染色法检测胞外pH，我们发现，在AlCl₃胁迫下，H⁺在质外体、根际和根外大量积累。采用非损伤微测技术（NMT）检测苹果根中H+的外排速率。与对照组相比，在AlCl₃胁迫下的苹果根H⁺的外排显著增加，而外源MT的施用显著增强了AlCl₃胁迫下苹果根H⁺的外流(图1）。

 

图1.ALCl₃胁迫和外源1 μM MT对苹果根H⁺外排的影响。正值代表H⁺外排。

2. 我们通过RNA-seq鉴定出了共同响应AlCl3胁迫和褪黑素处理的关键转录因子MdSTOP1，通过NMT检测发现，在AlCl₃胁迫下，与野生型相比，超表达MdSTOP1的植株中H⁺的外排显著增加(图2）。

图2. AlCl₃胁迫下超表达 MdSTOP1转基因和野生型植株对H⁺外排的影响。正值代表H⁺外排，负值代表H⁺吸收。

3. 通过NMT检测发现，在AlCl₃胁迫下，与野生型相比，超表达MdNHX2植株中H⁺的外排显著增加(图3）。

图3. AlCl₃胁迫下超表达MdNHX2转基因和野生型植株对H⁺外排的影响。正值代表H⁺外排。

 

 

其他实验结果

• MT可通过提高抗氧化酶活性来缓解AlCl₃胁迫对苹果幼苗的氧化损伤。
• 通过转录组分析筛选出了共响应MT和AlCl3胁迫的关键转录因子MdSTOP1。
• MdSTOP1是一种定位于细胞核的转录激活因子。
• 在苹果中超表达MdSTOP1，可通过促进液泡H⁺/Al³⁺交换和细胞质中H+的外排来提高苹果对铝胁迫的耐受性。
• 通过ChIP-seq、EMSA、qPCR和LUC活性检测鉴别出了受MdSTOP1调控的下游Al³⁺转运蛋白基因MdALS3和H⁺转运蛋白基因MdNHX2。
• 褪黑素可以通过促进MdSTOP1与转录因子MdNAC2的互作，增强MdSTOP1对MdALS3表达的调控，将细胞质中Al³⁺转运到液泡中，以减轻细胞受到的铝毒害。
• MdSTOP1与MdNAC2共调控MdNHX2的表达，通过调控液泡H⁺的外排形成离子梯度，从而促进Al³⁺的内流并维持液泡离子平衡。

 

结论

该研究结果揭示了苹果MT-STOP1+NAC2-NHX2/ALS3-液泡H⁺/Al³⁺交换应答铝胁迫的分子机制，为褪黑素在农业中的应用提供了重要依据。

 

测试液

0.1 mM CaCl₂，0.3 mM MES ，pH6.0

 

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/10.1093/plphys/kiad339

 

供稿：郑晓东

编辑：叶斌，刘兆义

 

关键词：H⁺；铝胁迫；褪黑素；液泡；区隔化；苹果；根；植物类

 

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