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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）
       氢气（H₂）因其能够减轻植物体内盐分的有害影响而闻名。然而，这一现象背后的生理和分子机制仍不清楚。本研究探讨了H₂改善大麦（Hordeum vulgare）盐胁迫的机理基础。NaCl的加入显著抑制了根的伸长，导致细胞活力的丧失，富氢水（Hydrogen Rich Water，HRW）处理则显著逆转了这些不利影响。利用非损伤微测技术进行实验表明，HRW对植物耐盐性的有利作用可以归因于：（1）根表皮中SOS1型Na⁺/H⁺交换体介导的Na⁺从根中外排的速率较高；（2）HRW处理的植物能够阻止NaCl诱导的质膜去极化，降低K⁺外排通道对ROS的敏感性，从而更好地保留根中的K⁺。综上所述，这两个因素导致了更有利的Na/K比值，说明了HRW对大麦耐盐性的有利影响。

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。

图3. HRW对实时10 mM H₂O₂处理下5日龄大麦幼苗成熟根区测定的实时K⁺（A）和Ca²⁺（B）流速的影响。“Pre-HRW”是指在加入10 mM H₂O₂和NaCl之前，将幼苗转入HRW溶液中30 min。在“HRW”处理中，HRW与H₂O₂一起添加到溶液中。

其它实验结果

• 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

关键词：氢气；盐耐受；排Na⁺；保K⁺；大麦；富氢水；ROS

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联盟部分基金申请截止时间延期通知

 感谢本文并列一作许飞云博士（现福建农林博后）校稿

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主题：NMT发现质子泵基因OSA1促水稻根排H⁺提高氮吸收

期刊：Nature Communications

影响因子：12.121

研究使用平台：NMT植物营养创新平台

标题：Plasma membrane H⁺-ATPase overexpression increases rice yield via simultaneous enhancement of nutrient uptake and photosynthesis

作者：张茂星（南农），王愔（北大），陈熙、许飞云（南农），木下俊则（通讯，名古屋大学），朱毅勇（通讯，南农）

检测离子/分子指标

H⁺

检测样品

水稻根

中文摘要
       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

 7日龄水稻幼苗（WT和OSA1-ox）在2 mM NH₄⁺中处理12 h

离子/分子流实验结果
       研究使用非损伤微测技术（NMT）检测水稻根部H⁺跨膜转运速率变化，结果发现，在2 mM NH₄⁺处理12 h后，3个OSA1过表达株系H⁺外排速率均增加，且与WT存在显著性差异（P＜0.05）。

 图1. WT和OSA1-oxs水稻的根系H⁺外排特性

       过表达OSA1提供了更多的质子驱动力促进根系对铵态氮的吸收。通过将铵同化产生的H⁺及时排出细胞膜外，促进了铵态氮的同化，并进一步保障了铵的吸收。另一方面，过表达OSA1增大了叶片气孔开度，促进了二氧化碳的吸收。叶片光合作用的提高可以为氮素代谢提供更多的碳源，而氮素代谢的促进又为叶片光合作用提供更多的氮源，进而促进水稻的生长。

图2. 过表达OSA1促进水稻铵态氮利用与光合作用的作用模式图

其它实验结果

• 在水稻根系和/或气孔保卫细胞中过表达PM H⁺-ATPase可有效提高NH₄⁺的吸收。

• OSA1（PM H⁺-ATPase）是调节水稻生长的关键因子。

• OSA1修饰影响水稻叶片对CO₂的吸收和/或固定。

• 水稻PM H⁺-ATPase的过表达或突变对气孔形态或发育没有影响。

• OSA1-ox植株具有较高的光合能力。

• 叶片和根部分别检测到59个和82个基因，这些基因在OSA1-ox株系中上调，但在osa1-2突变体中下调。

• OSA1在调节植物体内离子和溶质运输方面具有潜在的作用。

• NH₄⁺应答基因的表达水平在OSA1-ox株系中的表达量均显著增加。

• 过表达OSA1可以提高水稻田间产量。

测试液

0.2 mM CaCl₂, 0.1 mM KCl, 0.1 mM NaNO₃, 0.5 mM MES, pH 5.7

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，南京农业大学于2018年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

文章原文：https://www.nature.com/articles/s41467-021-20964-4

关键词：水稻；质子泵；质子驱动力；铵营养；氮营养；光合

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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：HKT1;5通过调节植物钠钾钙离子稳态响应盐胁迫

期刊：International Journal of Molecular Sciences

影响因子：4.556

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：Changes in Expression Level of OsHKT1;5 Alters Activity of Membrane Transporters Involved in K⁺and Ca²⁺ Acquisition and Homeostasis in Salinized Rice Roots

作者：塔斯马尼亚大学Sergey Shabala，Mohammad Alnayef

检测离子/分子指标

K⁺、Na⁺、Ca²⁺

检测样品

水稻根伸长区（距离根尖1.2 mm根表上的点）、成熟区（距离根尖15 mm根表上的点）、根木质部薄壁细胞

中文摘要（谷歌机翻）
       在水稻中，OsHKT1;5基因已被报道是耐盐性的关键决定因素。该基因由SKC1基因座携带，其作用归因于Na⁺从木质部卸载。然而，以往的研究并未提供直接证据。此外，SKC1在向地上部装载（loading）和运送K⁺方面的报告功能还有待解释。本工作采用非损伤微测技术比较了野生型（WT）和NIL（SKC1）植物根木质部薄壁细胞吸收Na⁺的动力学。数据显示，在野生型植物中观察到Na⁺重吸收，但在NIL（SKC1）植物中未观察到，因此质疑HKT1;5作为直接从木质部中去除Na⁺的转运蛋白的功能。相反，HKT1;5表达水平的改变改变了水稻表皮和中柱中参与K⁺和Ca²⁺吸收和稳态的膜转运蛋白的活性，从而解释了观察到的表型。本研究得出的结论是，HKT1;5在植物耐盐碱性中的作用不能仅仅归因于降低木质部汁液中Na⁺的浓度，而是引发了其他转运蛋白在胁迫条件下参与维持植物离子体内稳态和信号传导的活动的复杂反馈调节。

离子/分子流实验处理

 5日龄水稻水培幼苗80 mM NaCl实时处理

离子/分子流实验结果

       当向WT植株根施加80 mM NaCl（模拟木质部汁液Na⁺浓度的增加）时，可测到强烈而持续的净Na⁺吸收（图1A, C）。从功能上讲，这种吸收与根木质部对Na⁺的重吸收是一致的（无论是通过HKT1;5还是通过一些其他运输系统）。然而，在NIL（SKC1）中，没有这种吸收。相反，敲低（Knockdown, KD）株系表现出木质部薄壁细胞对Na⁺的净吸收甚至略高于WT（图1A，C）。这些结果与本文全株Na⁺含量数据结果一致。

然后，研究测定了NaCl对K⁺在根星状组织（stellar tissue）质膜上传输的影响（图1B，D）。在所有3个株系中，NaCl加入到溶液中，导致了瞬时的净K⁺外排。从功能上看，在植物体内，这相当于NaCl诱导的K⁺向蒸腾流中的装载。K⁺外排速率的大小为NIL（SKC1）>WT>KD，与本研究在NIL（SKC1）株系地上部积累较高的K⁺结果一致。

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其它实验结果

• Bcl-x_L过表达的神经元ATP水平升高，Bcl-x_L缺失的神经元ATP水平降低。

• Bcl-x_L是刺激引起的代谢变化所必需的。

• Bcl-x_L定位于线粒体内膜。

• 重组Bcl-x_L蛋白增强了F₁F₀ ATPase的酶促速率。

• 在F₁F₀ ATPase活动期间，Bcl-x_L抑制减弱H⁺进入亚线粒体囊泡。

• 内源性Bcl-x_L是ATP结合后抑制膜泄漏所必需的。

• Bcl-x_L增加线粒体ATP的产生，可使细胞在缺乏Bax或Bak的情况下免受代谢损害。

结论

       本研究发现过表达Bcl-x_L的神经元具有较高的ATP水平，而内源性Bcl-x_L被消耗或抑制的细胞具有较低的ATP水平。尽管ATP水平升高，但过表达Bcl-x_L的神经元耗氧量较少，Bcl-x_L消耗增加了氧摄取水平。除其外膜定位外，研究通过免疫电镜在线粒体基质中发现Bcl-x_L。Bcl-x_L与F₁F₀ ATP合酶的β亚基免疫共沉淀，与纯化的F1 ATP合酶重组β亚基结合。外源施加Bcl-x_L使F₁F₀ ATPase活性水平升高，Bcl-x_L抑制使酶促速率降低。Bcl-x_L缺失使含F₁F₀-ATPase的递质线粒体囊泡对H⁺离子的隔离能力下降，表明Bcl-x_L消耗引起质子在激活该酶后外排。通过膜片钳检测暴露于ATP的含F₁F₀-ATPase的囊泡，记录到Bcl-x_L被抑制或耗尽时外渗电导增加。因此，本研究提出了一个模型，其中Bcl-x_L通过减少F₁F₀ ATPase中的质子外排来提高ATP合成的效率，从而改善神经元的新陈代谢。

测试液

90 mM KCl, 64 mM NaCl, 10 mM glucose, 10 mM HEPES, 2 mM CaCl₂, pH 7.4

文章原文：https://www.nature.com/articles/ncb2330

关键词：能量代谢、神经元、线粒体、F₁F₀、ATP