EEB联盟澳洲专家：NMT发现氢气提高根Na-H转运体活性与保钾能力促大麦耐盐

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NMT作为生命科学底层核心技术，是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年，NMT已扎根中国15年。2020年，中国NMT销往瑞士苏黎世大学，正式打开欧洲市场。

 

基本信息

主题：NMT发现氢气提高根Na-H转运体活性与保钾能力促大麦耐盐

期刊：Environmental and Experimental Botany

影响因子：4.027

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：Understanding the mechanistic basis of ameliorating effects of hydrogen rich water on salinity tolerance in barley

作者：Sergey Shabala（联盟专家，佛山科技学院、南农），Qi Wu（佛山科技学院、塔斯马尼亚大学）

 

检测离子/分子指标

K⁺、Ca²⁺、Na⁺、H⁺

 

检测样品

5日龄大麦根成熟区（距根尖约6 mm根表上的点）

 

 

中文摘要（谷歌机翻）

 

氮（N）和碳（C）是植物生长和作物产量必不可少的元素。因此，提高N和C利用率有助于提高农业生产率，减少施肥需求。本研究发现过表达水稻单一基因H⁺-ATPase（OSA1）基因，促进了根系对铵的吸收和同化，增强了的气孔开放，提高叶片的光合速率。大田实验结果表明，OSA1过表达水稻产量显著增加，氮素利用率也大幅度提升；而OSA1功能敲除的水稻突变体株系表现出与过表达水稻相反的表型。转录组测序结果表明，过表达OSA1后显著提升了植株中与碳氮代谢相关的重要基因的转录水平。由于PM H⁺-ATPase在植物中高度保守，这些发现表明调节PM H⁺-ATPase可以协同提高N和C的利用率，可能会为粮食安全和可持续农业提供至关重要的工具。这一研究为农作物养分高效利用提供了理论基础，也为减少因过度施肥造成的环境污染问题及减缓温室效应提供了新的思路。

 

离子/分子流实验处理

 

5日龄大麦

① 100 mM NaCl处理10、30、60和120 min

② 100 mM NaCl处理24 h，然后转移到无钠的1/4 Hoagland营养液中，在有无H₂的情况下处理60 min

③ HRW处理30 min后，100 mM NaCl实时处理

④ HRW+100 mM NaCl同时实时处理

⑤ HRW处理30 min后，10 mM H₂O₂实时处理

⑥ HRW+10 mM H₂O₂同时实时处理

 

 

 

离子/分子流实验结果

 

植物体内Na⁺含量降低可能与Na⁺吸收降低或Na⁺外排速率增加有关。这些可能性使用非损伤微测技术（NMT）得到了验证。盐处理诱导根表皮产生大量的Na⁺瞬时净流入（图1A）；在经过HRW预处理的根中，这种内流大约减少50%。研究随后试图评估一种可能性，即上述净Na⁺吸收的差异是由于Na⁺外排速率较高所致。用100 mM NaCl溶液处理根系24 h后，将根系转移到不含H₂的无钠测试液中。HRW预处理后的根系中Na⁺净外排速率提高了2倍（图1B），与上述结果一致。

图1. HRW对5日龄大麦幼苗成熟区的Na⁺净流速影响。（A）加入100 mM NaCl，在不同时间点（处理后10、30、60和120 min）测量Na⁺净流速。（B）从100 mM NaCl溶液（24 h处理）转移到无钠的1/4 Hoagland's溶液中，在有无H₂情况下处理60 min后测量的稳定Na⁺外排速率。正值表示吸收，负值表示外排。

 

现已确定盐胁迫下，胞质K⁺保留能力是与盐胁迫耐受性相关的关键性状。如图2A所示，NaCl的加入诱导了根系大量K⁺外排（峰值约2500 nmol m^-2s^-1）。经HRW预处理的根表现出更小的K⁺外排（约1500 nmol m^-2s^-1）。将NaCl与HRW一起添加不会影响K⁺流出的峰值，但是20 min后，与不使用HRW处理相比，该处理下的K⁺流出显著降低。HRW对根K⁺保留的有益作用至少持续了2 h（图2A插图）。NaCl也诱导H⁺外排，用HRW预处理还增加了NaCl诱导的植物根部H⁺的外排速率（图2B）。

由于NaCl诱导的大麦根K⁺外排是通过去极化激活的K⁺外排通道介导的，因此本研究测定了根膜电位的变化。盐处理使根质膜发生明显的（30~35 mV）去极化，这种去极化在HRW处理的根中不明显（图2C）。

 

图2. HRW对5日龄大麦幼苗根成熟区测定的NaCl（100 mM）诱导的净K⁺（A）和H⁺（B）流速及膜电位（C）的影响。“Pre-HRW”是指在加入NaCl之前，将幼苗转入HRW溶液中30 min。在“HRW”处理中，将HRW连同100 mM NaCl加入到植株中。图A插入的图表示NaCl处理2 h后的稳态Na⁺流速。

   

NaCl诱导K⁺外排的另一个可能的途径是通过ROS激活的K⁺渗透通道。在本研究中，10 mM H₂O₂处理也引起了根系大量的K⁺外排，峰值为400 nmol m^-2s^-1（图3A）。

HRW预处理使这种K⁺外排减少了约3倍。与前期报道一致，添加H₂O₂也引起了大麦根系中Ca²⁺的瞬时内流（图3B）。各处理间Ca²⁺流速响应的大小差异不显著（P<0.05），但HRW预处理后根系Ca²⁺流速下降较快。

 

其他实验结果

• 在没有盐胁迫的情况下，HRW可以增加根长，但不会显著影响鲜重、叶片叶绿素含量或叶绿素荧光Fv/Fm。轻度（100 mM NaCl）盐胁迫会显著抑制根系生长（例如减少长度）；施用HRW可以大大减轻这种抑制作用。与对照相比，更严重的胁迫（200 mM NaCl）导致植物的根更短，鲜重更低，叶绿素含量或Fv/Fm更低。施用HRW可以强烈逆转盐度的这些不利影响。

• FDA-PI双色荧光染色结果显示，在对照或HRW条件下，死细胞不超过10%，在100 mM NaCl处理下，该比例增加。在施用HRW下，这种损伤明显缓解。NaCl处理诱导大麦苗根部H₂O₂的大量积累，与对照和HRW处理相比，H₂O₂的积累增加了3倍以上。这种增加被HRW有效抑制。

• NaCl处理下，大麦根中Na⁺的浓度增加了3~5倍，叶片中Na⁺增加了2~4倍。这些增加都被HRW大大抑制。相反，NaCl处理显著降低了根和叶中的K⁺含量；这些对K⁺稳态的不利影响被HRW施加强烈逆转。因此，施用HRW对维持最佳Na⁺/K⁺比值非常有利。

结论

       在Na⁺进入阶段，H₂通过提高盐胁迫下盐渍化根细胞的胞质K/Na比值来减轻盐胁迫不利影响。如图4所示，这是由两个并发机制实现的。首先，H₂增加了根表皮中SOS1样Na⁺/H⁺交换体的活性，从而使HRW预处理的植株阻止了细胞质中过量的Na⁺积累。其次，H₂降低了NaCl诱导的膜去极化程度和K⁺外排通道对ROS的敏感性，从而提高了HRW处理植株较好的K⁺保留能力。当Na⁺引起细胞毒性时，H₂增强了抗氧化能力，降低了NaCl胁迫引起的氧化损伤。

图4. H₂对植物盐分耐受性改善作用的示意图

 

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, 0.3 mM MES, pH 5.6

 

文章原文：https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2020.104136

 

2019版《NMT论文集》已出版

关键词：氢气；盐耐受；排Na⁺；保K⁺；大麦；富氢水；ROS