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北林陈少良:NMT发现盐胁迫下耐盐杨树根吸氧更多促线粒体呼吸以激活H+泵促排Na+


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植物根部O2、Na+、H+跨膜信号测样服务

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发现盐胁迫下耐盐杨树根吸氧更多促线粒体呼吸以激活H+泵促排Na+

期刊:Tree Physiology

影响因子:3.665

研究使用平台NMT植物耐盐创新平台

标题:NaCl-altered oxygen flux profiles and H+-ATPase activity in roots of two contrasting poplar species

者:北京林业大学陈少良、马秀英、邓晨、李金克

 

检测离子/分子指标

O2,Na+,H+

 

检测样品

胡杨(Poplus euphratica)、群众杨(Poplus popularis)的根,距根尖100、600、1100、1600、2100、2600、10000、10500、11000、11500、12000、12500 μm根表上的点。

 

 

中文摘要(谷歌机翻)

 

      维持线粒体呼吸对于H+泵ATP在盐胁迫下排出Na+至关重要。本文研究了NaCl胁迫对胡杨(耐盐)和群众杨35-44(盐敏感)O2吸收、线粒体呼吸和H+-ATPase活性的影响。与群众杨相比,胡杨根系在NaCl胁迫(150 mM)下表现出更强的Na+外排能力。用Pb(NO3)2染色进行的细胞化学分析表明,在长期(LT)增加盐胁迫(50~200 mM NaCl, 4周)的过程中,胡杨根细胞比盐敏感的杨树保留了更高的H+水解活性。质子泵的长期持续激活需要通过有氧呼吸来提供持久的能量(ATP)。利用非损伤微测技术(NMT)对盐胁迫下根系O2吸收的种类、空间和时间差异进行了研究。虽然盐诱导的O2瞬态动态变化与高渗冲击(255 mM甘露醇)引起的O2的剧烈下降有明显区别,但胡杨在NaCl实时处理(150 mM)时的吸氧量下降幅度小于群众杨。短期(ST)处理(150 mM NaCl, 24 h)刺激了胡杨根系O2的内流,LT处理胡杨根系O2的内流速率沿根轴增加,而群众杨的根系O2内流速率则随盐度的增加而下降。在ST和LT胁迫期间,高浓度NaCl(150、200 mM)处理下,O2内流速率的空间定位表明,根尖区比伸长区更易受到影响。药理学实验表明,当线粒体呼吸抑制剂NaN3抑制O2的吸收时,盐渍化的根中的Na+外排和H+-ATPase活性会受到相应的抑制。因此研究认为,稳定的线粒体呼吸使胡杨根细胞的H+-ATPase能在盐环境下维持Na+稳态

 

 

离子/分子流实验处理

 

1. 150 mM NaCl或255 mM等渗甘露醇实时处理

2. 短期胁迫(ST):150 mM NaCl胁迫24 h

3. ST胁迫之后,2 mM NaN3线粒体呼吸抑制剂)处理20 min

4. 长期胁迫(LT):NaCl浓度从第一周的50 mM开始,每周增加50 mM,最后一周达到200 mM

 

 

 

离子/分子流实验结果

利用NMT在通常观察到峰值的根尖区和伸长区检测O2流速。流速数据显示,两种杨树根系均有O2的净流入,但群众杨的流速比胡杨的流速大30~42 pmol cm-2s-1(图1)。根尖区(距根尖0.1~2.6 mm)O2内流速率大于伸长区(距叶尖10.0~12.5 mm, 图1)

 

图1. 胡杨和群众杨根尖区和伸长区O2内流

 

在距根尖1.1 mm的根尖区检测O2流速对NaCl或高渗胁迫(甘露醇)的响应。NaCl(150 mM)的加入使两种杨树的O2流速立即降低,且随着盐胁迫时间的延长,流速逐渐降低(图2A)。与耐盐杨树相比,盐敏感的群众杨O2内流速率下降的更为明显(图2A, B)。NaCl实时胁迫10 min后胡杨O2流速趋于稳定,而群众杨O2流速持续下降,直至观察时间结束(图2A)

高渗处理的杨树根系O2实时动态变化与NaCl实时处理的根系不同。在受到255 mM甘露醇引起的等渗胁迫后,胡杨和群众杨的O2内流立即减少48~57%,随后在记录期间内保持恒定(图2C)。实时流速数据显示,高渗处理对O2内流产生了比盐离子更明显的限制作用(图2B, D)

 

图2. NaCl和高渗胁迫实时处理对胡杨和群众杨根部O2实时动态变化的影响。

 

      150 mM NaCl短期(ST, 24 h)处理后,胡杨根系稳态O2流速的模式与群众杨不同。研究观察到ST处理后的胡杨根系氧内流速率增加(图3A)。在群众杨根系中,NaCl处理降低了根尖区的O2流速,但在伸长区的O2流速变化不明显(图3B)。为确定盐刺激的胡杨根系O2内流是否是线粒体呼吸被激活的结果,采用线粒体呼吸抑制剂NaN3抑制细胞色素途径。抑制剂NaN3显著降低了NaCl胁迫下胡杨根中O2的内流(图3C),表明ST处理激活了胡杨根细胞的线粒体呼吸。抑制剂NaN3能够显著降低ST处理下群众杨根系中O2的内流速率(图3D),表明植物的线粒体呼吸受到严重抑制

图3. NaCl和线粒体呼吸抑制剂(NaN3)对胡杨和群众杨根部稳态O2流速的影响

 

      群众杨是一种盐敏感树种,因此在4周的处理中以50、100、150、200 mM递增的方式增加盐分。在增加盐分处理期间每周检查稳态O2流速。胡杨和群众杨在50 mM NaCl胁迫1周后,沿根轴O2内流速率增加,尽管耐盐杨树受到了更明显的刺激(图4A, B)。然而,在第2周100 mM NaCl胁迫下,群众杨不存在盐刺激的O2吸收(图4D)。本研究注意到,暴露在较高盐度下,即第3周150 mM NaCl和第4周200 mM NaCl,引起了群众杨中O2内流速率的显著下降,且这种影响在根尖区更为明显(图4F, H)。与盐敏感杨树相比,在盐胁迫期间,胡杨表现出沿根轴的O2内流增加,但刺激效果随盐度的增加而下降(图4A, C, E, G

图4. 长期增加NaCl对胡杨和群众杨根部O2流速的影响

 

木本植物和草本植物的耐盐性在很大程度上是由Na+从细胞质中排出所介导的。为证实盐环境下胡杨根细胞稳定的线粒体呼吸是否能激活H+-ATPase以维持Na+稳态,本研究在盐胁迫下,检测了线粒体呼吸抑制剂NaN3对Na+外排和体内H+-ATPase活性的影响。NaCl(150 mM, 24 h)引起两种杨树根尖Na+外排显著增加(图5A)。值得注意的是,在NaCl处理下胡杨根系的Na+外排速率明显高于群众杨(图5A)。然而,抑制剂NaN3显著降低了NaCl胁迫下根系Na+外排速率(图5A),表明线粒体呼吸受到抑制后,Na+外排减少。在无盐对照条件下,NaN3没有明显改变Na+流速,这在两种杨树中几乎无法检测到(图5A)

用NMT研究了NaCl胁迫下根中PM H+-ATPase的活性。NaCl处理(150 mM, 24 h)使H+的净内流速率在两个杨树根系中增加(图5B),这是Na+/H+跨PM逆向转运所致的(图5A, B)。NaN3增加了盐刺激下的H+内流(图5B),而抑制剂处理的根系中没有相应的增加Na+外排(图5A)。因此,抑制剂引起的H+内流主要是由质膜H+-ATPase产生的H+外排减少引起的。此外,NaN3导致两种杨树对照根中H+内流的增加(图5B),这是由于抑制剂处理下根中H+泵活性降低所致

图5. NaCl和线粒体呼吸抑制剂(NaN3)对胡杨和群众杨根系Na+和H+稳态流速的影响

 

图6. 植物根部检测图

 

 

 

 

 

 

其他实验结果

 

  • 50 mM NaCl处理1周后,群众杨根部的整体呼吸量增加。然而,随着NaCl浓度和盐胁迫时间的增加,群众杨根部的呼吸速率呈下降趋势,呼吸速率在第3~4周达到最低值。与群众杨相反,NaCl处理的胡杨根的呼吸速率在处理1周后明显增加,在随后的3周盐胁迫中仍比对照植物高36~44%

  • 细胞化学染色结果显示,盐胁迫1周后,胡杨和群众杨皮层细胞的质膜中染色强度增加。然而,在高NaCl处理的最后2周(150, 200 mM),群众杨细胞中H+-ATPase的活性明显下降。与群众杨树相比,胡杨根细胞在高盐处理期间保持了H+-ATPase的活性

 

结论

氧流速数据表明,在实时盐胁迫、ST和LT盐胁迫下,胡杨根系表现出较强的维持线粒体呼吸的能力。在盐环境下,稳定的线粒体呼吸使胡杨根细胞的H+-ATPase能在盐环境下维持Na+稳态


 

测试液

 

O2:0.1 mM CaCl2, 0.5 mM KCl, pH 6.0

Na+、H+:0.5 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, 0.1 mM NaCl, 2.5% sucrose, pH 5.8

 

 

仪器采购信息

 

  • 据中关村NMT产业联盟了解,北京林业大学于2009年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

     

     

 

文章原文:https://academic.oup.com/treephys/advance-article/doi/10.1093/treephys/tpaa142/5940447

 

2019版《NMT论文集》已出版

 

关键词:根;质膜H+-ATPase;细胞化学染色;线粒体呼吸;O2内流;杨树;NaCl;NMT