OSense O-Sense

STOTEN西南科大董发勤:NMT发现接种AMF促根吸Cd且与跨膜钙流耦合 为AMF缓解Cd毒并增强黑麦草Cd修复潜力提供证据

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

 

 

 

基本信息

主题:NMT发现接种AMF促根吸Cd且与跨膜钙流耦合 为AMF缓解Cd毒并增强黑麦草Cd修复潜力提供证据

期刊:Scienceof the Total Environment

影响因子:7.963

研究使用平台:NMT重金属创新平台

标题:Unraveling the effects of arbuscular mycorrhizal fungi on cadmium uptake and detoxification mechanisms in perennial ryegrass (Lolium perenne)

者:西南科技大学董发勤、韩颖,莱里达大学Víctor Resco de Dios、Obey Kudakwashe Zveushe

 

检测离子/分子指标

Cd2+Ca2+

 

检测样品

黑麦草根(非接种植物距根尖600 μm,接种植物距根尖800 μm

 

中文摘要

      镉(Cd)是一种主要的环境污染物,也是环境中毒性最强的金属之一。丛枝菌根真菌(AMF)辅助植物修复可用于去除污染土壤中的Cd,但AMF在Cd积累和耐受中的作用尚不清楚。本研究用两种不同的AMF物种(幼套球囊霉Glomus etunicatum和摩西球囊霉Glomus mosseae)接种在黑麦草(Lolium perenne)上。将有菌根的黑麦草和无菌根的对照组暴露在Cd胁迫下,研究检测了AMF菌根化对Cd吸收和随后的耐受性的影响,以及基本机制。菌根侵染增加了根系对Cd2+的吸收,研究还观察到净Cd2+内流与净Ca2+内流耦合。Ca2+转运通道的失活使非接种根对Cd2+的吸收量较接种根有大幅度降低,说明AMF激活了额外的离子转运通道。因此,与未接种的对照相比,接种的植株在根和地上部都表现出较高的镉积累。然而,AMF接种的植物在Cd条件下表现出更高的叶绿素浓度、光合作用和生长,表明尽管AMF接种的植物对Cd的吸收增加,但Cd的毒性仍然较低。研究观察到,接种AMF的植物有利于把Cd分隔在细胞壁和液泡内,根部的超氧化物歧化酶活性和谷胱甘肽浓度比未接种的植物高,从而减少了Cd暴露带来的胁迫。本研究结果揭示了AMF在重金属污染环境中增强黑麦草的修复潜力和机制。

 

离子/分子流实验处理方法

①60 mg kg-1 Cd+no AMF inoculation(60+0), 60 mg kg-1 Cd+G. etunicatum(60+GE),60 mg kg-1 Cd+G. mosseae(60+GM)处理60 d。

②60+0、60+GE、60+GM处理60 d后,20 μM verapamil处理25 min。

 

离子/分子流实验结果

非损伤微测技术(NMT)分析表明,Cd2+内流在接种根和未接种根的根尖区域不同(图1a)。最大离子流出现在距根尖600(未接种根)和800 μm处(接种根),随后急剧下降。最大Cd流速出现在pH为6时(图1a)。

为了评估测试液中不同浓度的Ca2+是否影响Cd2+的吸收,在测量液中Ca2+浓度分别为0.01、0.1和1 mM的情况下,分别在距根尖600(未接种)和800 μm(接种)处实时测量Cd2+净流速和平均流速。Ca2+浓度对净Cd2+影响显著(图1b),在0.01、0.1和1 mM时,实时净Cd2+流速分别为-0.87±0.3、-1.7±0.1和-0.5±0.3 pmol cm-2 s-1。同样,本研究结果表明,AMF植物的实时Cd2+流速在0.1 mM Ca2+时最高,在1 mM Ca2+时最低(图1b)。

 

图1. 不同根区、不同测试液Ca2+浓度和不同测试液pH下,黑麦草根部Cd2+流速。负值代表Cd2+吸收。

 

研究观察到接种根的实时净Cd2+和Ca2+流速明显高于未接种根。更具体地说,在幼套球囊霉和摩西球囊霉中,Cd2+的净流入量和平均内流速率分别比未接种的根大402%和486%(图2a, c)。

在幼套球囊霉和摩西球囊霉中,Ca2+内流速率分别比未接种的根大600%和785%(图2a, c)。用verapamil阻断/失活Ca2+转运体通道可分别显著抑制60+0、60+GE和60+GM中的Cd2+净内流速率和平均速率98%、51%和33%(图2b, d)。

 

图2. 在黑麦草根尖净Cd2+流速(a, b)和平均净Cd2+流速(c, d)。负值代表Cd2+吸收。

 

      结果还表明,verapamil使钙转运通道失活可分别显著抑制60+0、60+GE和60+GM中的Ca2+净内流速率和平均速率100%、53%和48%(图3b, d)。

图3. 在黑麦草根尖净Ca2+流速(a, b)和平均净Ca2+流速(c, d)。负值代表Ca2+吸收。

 

其他实验结果

  • 与未接种AMF组相比,接种AMF组(60+GE和 60+GM)根和地上部分Cd含量均增加。
  • Cd胁迫下,非接种植物根系Ca浓度下降,地上部分Ca浓度保持恒定;在Cd胁迫下,AMF植株地上部分和根部Ca含量显著高于未胁迫植株。
  • 对照处理(35 cm)的地上部分长度在Cd胁迫下(24 cm,0+60)下降,但在接种AMF后(37 cm,60+GE和60+GM)恢复到与对照相似的长度。在根长、地上部分和根系生物量方面也观察到类似的变化。
  • 与对照相比,接种幼套球囊霉和摩西球囊霉后,总叶绿素浓度显著增加,随着Cd胁迫的加剧,总叶绿素浓度显著下降。接种与胁迫的交互作用使Cd胁迫植株叶绿素总浓度随着AMFs的存在而恢复到对照水平。
  • 0+GE和0+GM的类胡萝卜素浓度显著高于接种对照。Cd胁迫显著降低了类胡萝卜素浓度,接种AMF部分抵消了这种下降。
  • 0+GE和0+GM处理的光合速率显著增加。未观察到Cd胁迫诱导的光合速率显著下降。
  • 与未接种的植株相比,60+GE和60+GM植株的气孔导度显著增加。在Cd胁迫下接种植株的气孔导度与无Cd胁迫下接种植株的气孔导度没有差异。
  • AMF植株根细胞壁Cd浓度显著高于其他亚细胞组分。
  • 与0+0和60+0处理植株相比,60+GE和60+GM处理植株的根系Fs(可溶部分)值显著提高。此外,Cd胁迫下接种植株的平均地上部Fs百分比值(60+GE和60+GM)显著高于未接种处理。
  • AMF植株Fcw(细胞壁)和Fs中Cd含量的相对增加是以细胞器Cd含量的相对增加为代价的,降低了81%。在4个亚细胞组分中,接种植株地上部Fcw中Cd浓度相对于未接种植株下降最为显著,其次是Fco(细胞器)。
  • Cd胁迫与AMF接种的交互作用显著影响了不同Cd化学形态在根和地上部分的分布。
  • 根中的MDA浓度60+0>60+GE和60+GM>0+0处理,地上部分的MDA浓度60+0>60+GE和60+GM>0+GE和0+GM;根中的SOD浓度60+GE>60+0>0+0处理,地上部分的SOD浓度60+0>60+GE和60+GM处理;根中的POD浓度60+0>60+GE>60+GM处理,地上部分的POD浓度60+0>60+GE和60+GM处理。
  • 黑麦草根和地上部分中的总GSH水平受AMF接种和Cd胁迫之间的交互作用影响明显。在Cd胁迫下,接种植物的平均GSH水平>60+0>0+0处理。

 

结论

     研究发现,Cd和Ca通过根系吸收呈竞争关系。如果Ca2+通道被阻断,非菌根植物的Cd内流受到明显抑制,而菌根植物的Cd内流受影响较小,说明AMF为根系吸收Cd提供了额外的运输通道。AMF植株在根部和地上部的Cd积累量均高于非AMF对照植物。然而,AMF植物在Cd胁迫下表现出更高的叶绿素浓度、光合作用和生长,表现出更低的Cd中毒症状。这可能是因为AMF植株在细胞区室(细胞壁和可溶性部分)中分离出更多的Cd,在根和地上部积累更少的MDA,表达更高的SOD和GSH活性,转化更少的Cd在根和地上部的生物有效性。

 

测试液

0.01/0.1/1 mM CaCl2, 0.1 mM Cd2+, 0.1 mM KCl, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na2SO4, pH 6.0

 

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

 

 

 

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721042959?via%3Dihub

 

供稿:赵雪琦
编辑:刘兆义

 

关键词非损伤微测技术(NMT);Cd流速;AMF;亚细胞分布;化学形态;黑麦草;植物类

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

JHM云大赵之伟组:NMT发现接种AMF抑制Cd胁迫下滇杨根的泌H+吸Cd 为揭示AMF增强滇杨对矿区环境适应性机制提供证据

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

【Nature】突破!植物气孔免疫的钙通道被发现! 

 

 

基本信息

主题:NMT发现接种AMF抑制Cd胁迫下滇杨根的泌H+吸Cd 为揭示AMF增强滇杨对矿区环境适应性机制提供证据

期刊:Journal of Hazardous Materials

影响因子:10.588

研究使用平台:NMT重金属创新平台

标题:Harnessing an arbuscular mycorrhizal fungus to improve the adaptability of a facultative metallophytic poplar (Populus yunnanensis) to cadmium stress: Physiological and molecular responses

者:云南大学李涛、赵之伟、刘弟

 

检测离子/分子指标

Cd2+、H+

 

检测样品

滇杨根(距根尖500 μm 根表上的点)

 

中文摘要

      滇杨(Populus yunnanensis Dode)是一种兼性金属型杨树,在贫瘠的尾矿区表现出造林潜力。然而,丛枝菌根真菌(AMF)在滇杨对重金属胁迫适应性中的相互作用及其功能作用尚不清楚。本文研究了在镉(Cd)胁迫(50 mg kg-1)下,滇杨小苗对AMF(Funneliformis mosseae摩西管柄囊霉)的生理和分子响应。结果表明,接种AMF后,Cd对细胞器的植物毒害作用减弱,同时降低了杨树叶片、茎、根中的Cd浓度。在Cd胁迫下,AMF阻断了金属转运蛋白(例如Ca2+通道)的活性,通过减少H+外排减少了根细胞的Cd内流。AMF对根际沉积物的生物强化作用以稳定金属,DTPA可提取的Cd也随之降低。接种AMF可促进Cd向无活性、低毒的形态转化,有助于维持离子稳态,缓解过量Cd引起的营养离子(例如Ca、Mg)紊乱。叶片酶和非酶抗氧化系统被触发。根和叶的生理响应模式不同。AMF调控杨树功能基因,鉴定出9个金属响应功能基因。研究认为AMF是滇杨表型延伸的功能组分,有助于增强植物对不利尾矿条件的适应性。

 

离子/分子流实验处理方法

接种(M+)或不接种(M-)AMF的滇杨

100 μM CdCl2实时处理

100 μM CdCl2实时处理24h

③50 mg kg-1 CdCl2处理60 d(LT)

④100 μM CdCl2+5 mM LaCl3处理24 h

⑤100 μM CdCl2+ 0.5 mM Na3VO4处理24 h

 

离子/分子流实验结果

      为了研究AMF接种对杨树Cd2+流速的影响,研究用非损伤微测技术NMT)检测了杨树根部的Cd2+净流速。结果表明,所有处理的杨树都能检测到Cd2+净内流。所有三个Cd处理时期(实时、短期和长期)的结果表明,与对照杨树的根相比,AMF接种显著降低了杨树根部的Cd2+内流。添加LaCl3(一种Ca2+通道的特异性抑制剂)也显著阻断了短期处理(ST)杨树根细胞中Cd2+的内流,而不依赖于是否接种AMF。同样,在短期处理(ST)后,与非菌根对照(M-ST+LaCl3)相比,接种AMF进一步显著降低了添加LaCl3(M+ST+LaCl3)的杨树中Cd2+的内流速率。添加原钒酸钠(Na3VO4,一种特殊的H+-ATPase抑制剂)可显著抑制H+外排。在添加Na3VO4的条件下,与非菌根对照(M-ST+Na3VO4)相比,经短期Cd和Na3VO4(M+ST+Na3VO4)处理的菌根定殖的杨树根部Cd内流速率显著降低(图1)。

 

图1. 丛植菌根真菌接种对杨树根部Cd2+净流速的影响正值代表离子外排,负值表示离子吸收。

 

      为了研究AMF接种对杨树H+流速的影响,研究用NMT检测了杨树根部的H+净流速。结果表明,所有杨树都表现出来自根细胞的净H+外排,外排速率小于0.1 pmol cm-2s-1。无论是在Cd实时处理之前还是之后,接种AMF对未经Cd处理的杨树根部H+外排没有显著影响。然而,与对照相比,在短期和长期Cd暴露处理下,AMF接种显著降低了杨树根部的H+外排速率(图2)。

图2. 丛植菌根真菌接种对杨树根部H+净流速的影响。正值代表离子外排,负值表示离子吸收。

 

其他实验结果

  • Cd胁迫下丛枝菌根真菌促进杨树生长。结果表明,与无Cd处理的植株相比,无论是否接种AMF,Cd都能显著抑制杨树的生长。然而,在50 mg kg-1 Cd 胁迫下,接种 AMF 显著提高了杨树高度和重量的净增量。双因子方差分析表明杨树的生长(鲜重和高度)显著受Cd添加和AMF接种的影响,并且对植物高度具有双因素交互作用;与非菌根对照相比,AMF接种显着增加了杨树在Cd 胁迫条件下的净光合速率。
  • 丛枝菌根真菌缓解了Cd对杨树细胞的超微结构损伤。透射电镜显示,与无Cd条件下叶和根细胞(如叶绿体和线粒体)完整的细胞器相比,Cd胁迫对杨树细胞造成明显损伤,如植物叶静脉细胞和根皮质细胞有明显的浆溶解和线粒体空泡化;然而,接种AMF缓解了Cd毒性引起的细胞损伤。
  • 丛枝菌根真菌缓解Cd植物毒性的功能机制:
  1. 丛枝菌根真菌减少了Cd积累。双因子方差分析表明,杨树叶、茎和根中的Cd浓度,显著受到Cd添加和AMF接种以及这两个因素之间的相互作用的影响;与对照相比,接种AMF显著降低了叶、茎和根中Cd的积累;Leadmium™ Green AM染料对Cd分布的荧光标记也支持了上述结果。
  2. 丛枝菌根真菌降低土壤DTPA可提取Cd。研究发现无Cd处理的根际沉积物中的Cd小于0.02 mg kg-1;接种AMF显著降低了无Cd和Cd胁迫处理根际沉积物中DTPA可提取的Cd浓度。双因子方差分析表明,添加Cd显著增加根际沉积物中DTPA提取的Cd浓度,而接种AMF显著降低该浓度。
  3. 丛枝菌根真菌改变Cd的化学形态和亚细胞分布。接种AMF降低了不同亚细胞组分Cd积累浓度;然而,与对照相比,杨树叶和根中不同亚细胞组分中Cd的比例没有显著影响;对于AMF接种的杨树叶片,低毒性Cd显著增加,而高毒性Cd(包括无机Cd和水溶性Cd)显著降低。
  4. 丛枝菌根真菌改变了矿质元素模式。Cd添加和AMF积累对杨树组织中5种营养元素的积累有显著影响,其中分别有34个对比变化显著(18个Cd诱导和16个AMF诱导);与非菌根杨树相比,AMF接种显著促进5种营养元素在地上部分以及在地下部分的积累。
    活性氧、丙二醛和丛枝菌根真菌触发的抗氧化能力。与非菌根对照相比,AMF接种引发了叶片抗氧化系统,包括显著增加的POD和CAT活性,和GSH含量,以应对氧化应激;AMF定殖缓解了Cd胁迫,并显著降低了叶片MDA浓度;然而,与未接种的对照组相比,接种AMF仅仅增加了杨树根系中POD的活性。
    丛枝菌根真菌诱导的转录应答。本研究评估了Cd添加和AMF接种对杨树基因的差异表达;研究发现Cd响应DEGs与AMF响应的DEGs有不同的表达模式;在4303个DEGs中,30个核心基因被鉴定,这些基因由AMF接种和Cd添加共同调控,并编码不同细胞功能相关的功能蛋白,包括谷胱甘肽转移酶、氧化还原酶、光合作用(碳固定)、碳水化合物代谢、转录、跨膜运输、液泡膜功能、转移酶活性和水解酶活性;在所有DEGs中,共注释了3780个基因,可能与杨树对重金属胁迫的响应有关。将这3780个基因分为9个聚类,包括金属细胞区段化(细胞壁和液泡)、重金属螯合(包括氨基酸、柠檬酸和碳水化合物)、金属转运(离子结合和跨膜转运)、膜完整性(如膜成分)、渗透调节(如,抗氧化活性(包括抗氧化酶、谷胱甘肽转移酶和其他抗氧化酶)、植物激素、生长稀释和其它效应,例如,涉及重金属抗性的核糖体相关基因;研究还发现,参与重金属抗性的DEGs主要与金属运输和抗氧化活性有关,其次是细胞壁和液泡中的细胞区隔化,然后是氨基酸和碳水化合物的金属螯合作用。

 

结论

      总之,研究结果表明,AMF接种通过减少宿主植物对Cd的吸收和积累,以及降低根际沉积物中可提取Cd的浓度,从而显著减轻了杨树中Cd的植物毒性。此外,AMF对调控云南白杨对Cd胁迫的防御反应具有全局作用,包括参与金属离子转运的9个基因簇,以及增强细胞内解毒机制,如区室化、抗氧化活性。

AMF还有助于维持杨树中的离子稳态,并减轻由叶和根中过量Cd积累引起的细胞损伤。因此,AMF促进植物生物量并引起生长稀释效应,以减轻杨树中的Cd毒性。本研究首次阐明了杨树根与其相应地上部分之间发生的AMF生物增强的不同Cd 胁迫解毒机制。研究结果表明,AMF可以功能性地提高复垦尾矿区树木植株的Cd抗性,暗示根相关菌根真菌是云南白杨的扩展表型的功能成分之一,对矿山不利的条件具有很强的适应性。因此,引入适应性强和功能性强的AMF来帮助和增强快速生长和经济上重要的木本植物的耐受性和适应性,特别是在幼苗早期阶段,是一种可在极端的金属污染的尾矿中实施的可选择的开垦和植物管理策略。

 

测试液

0.1 mM CaCl2, 0.001/0.1 mM CdCl2, pH 8.0

 

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

 

 

 

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421023980?via%3Dihub

 

供稿:赵雪琦
编辑:刘兆义

 

关键词摩西管柄囊霉;重金属;矿山修复;植物管理;植物毒性;植物类

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

农科院区划所程宪国:NMT发现亚精胺促盐碱胁迫下种子耗O2及Ca2+、H2O2积累 揭示亚精胺影响种子渗透调节的途径

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

【Nature】突破!植物气孔免疫的钙通道被发现! 

 

 

基本信息

主题:NMT发现亚精胺促盐碱胁迫下种子耗O2及Ca2+、H2O2积累揭示亚精胺影响种子渗透调节的途径

期刊:Frontiers in Plant Science

影响因子:5.753

研究使用平台:NMT植物耐盐创新平台

标题:Exogenous Spermidine Priming Mitigates the Osmotic Damage in Germinating Seeds of Leymus chinensis Under Salt-Alkali Stress

者:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所程宪国、陈红娜

 

检测离子/分子指标

O2、H2O2、Ca2+

 

检测样品

种子胚顶部和种子胚乳1/2处

 

中文摘要

      众所周知,亚精胺(Spd)是保护参与植物生理生化过程的大分子物质。然而,Spd也可能在盐碱胁迫下对羊草(Leymus chinensis)种子萌发起渗透调节作用。为了进一步研究这一点,将羊草种子用Spd溶液或蒸馏水浸泡,将浸泡后的种子播种于盐碱土中进行培养试验。有资料表明,Spd引发使萌发种子可溶性糖含量增加50%以上,脯氨酸含量增加30%以上。此外,Spd引发使萌发种子过氧化氢酶活性增加30%以上,过氧化物酶活性增加25%以上,有效缓解了盐碱胁迫下萌发种子质膜的氧化损伤。此外,种子的Spd引发影响盐碱胁迫下萌发种子中多胺(PA)的积累,维持参与生理代谢的大分子物质的活性。此外,Spd引发处理使萌发种子的过氧化氢(H2O2)水平提高到30%以上,Ca2+浓度提高到20%以上,从而通过有益的激素富集打破了羊草种子的休眠诱导途径。本研究揭示了外源性Spd引发羊草种子过程中Spd介导的调控途径,该途径可减轻渗透性和氧化性损伤,维持细胞脂膜的完整性。因此,外源Spd启动提高了PA氧化酶活性,维持了H2O2的积累。研究发现,H2O2对Ca2+和激素的平衡产生了有益的影响,促进了羊草在应对盐碱胁迫时的活力和萌发。

 

离子/分子流实验处理方法

0/1 mM Spd溶液中浸泡12 h,盐碱土培养3 d后的羊草种子。

1 mM Spd溶液中浸泡12 h,盐碱土培养3 d后的羊草种子,蒸馏水、1 mM DPI、1 mM KI室温浸泡3h。

 

离子/分子流实验结果

      前期研究表明,种子活力与氧气内流量显著相关。因此研究用非损伤微测技术NMT)检测了羊草种子中的氧气内流速率。结果表明,在盐碱胁迫条件下,亚精胺处理后种子中的氧气内流速率显著提高,约为对照种子的五倍(图1)。

 

图1. 盐碱胁迫条件下,外源亚精胺对羊草种子O2净流速的影响。负值表示离子吸收。

 

      为了进一步表征亚精胺对种子胚部位H2O2和Ca2+积累的影响,用NMT检测了种子胚乳中部和种子胚顶部的H2O2和Ca2+的流速。与对照种子不同,亚精胺预处理的种子表现出显著的H2O2内流,并且亚精胺预处理后种子胚中的H2O2净内流速率显著高于种子胚乳中的净内流速率。此外,两种处理均表现出明显的Ca2+外排,而亚精胺处理后种子中Ca2+的整体外排速率显著低于对照,亚精胺处理后种子胚中Ca2+的外排速率显著低于种子胚乳(图2)。

图2. 盐碱胁迫条件下,外源亚精胺对羊草种子胚和胚乳H2O2和Ca2+净流速的影响正值代表离子/分子外排,负值表示离子/分子吸收。

 

      此外,种子胚中Ca2+浓度的空间成像结果表明,暴露于水微环境的种子中Ca2+浓度梯度不明显,而种子表面附近的Ca2+浓度略高于水环境中的Ca2+浓度。但DPI或KI处理后种子微环境中Ca2+梯度较大,且种子表面附近Ca2+浓度也显著高于水环境中Ca2+浓度,暗示着DPI和KI处理中Ca2+外排速率显著提高(图3)。

 

图3盐碱胁迫条件下,外源DPI或KI对羊草种子表明Ca2+浓度梯度的影响。

 

其他实验结果

  • 亚精胺改善羊草种子的萌发前代谢。结果表明,与对照种子相比,亚精胺预处理的种子内源亚精胺含量增加了51.63%,内源精胺增加了23.73%,PAO酶活性增加了49.84%。同时,H2O2含量增加了36.65%;此外,CAT和POD的酶活性分别增加了32.18%和26.37%;与对照种子相比,亚精胺预处理的种子可溶性糖含量增加53.94%,脯氨酸含量增加30.72%,电导率降低11.39%;此外,亚精胺预处理的种子Ca2+和K+含量没有增加,但细胞质中Ca2+和K+的荧光强度显着增强;外源亚精胺显着降低了种子ABA的积累,并降低了ABA与GA3的比例。
  • 亚精胺促进羊草种子萌发和活力。与对照种子相比,亚精胺预处理的种子发芽率提高了33.66%;亚精胺预处理的种子发芽速度显著高于对照;亚精胺预处理显著提高了17天龄幼苗的鲜重和株高;亚精胺预处理不仅提高了种子的活力,而且对盐碱土中的种子活力也有积极影响。
  • 亚精胺减少盐碱胁迫下的种子休眠时间。与对照处理相比,亚精胺预处理显著提高了种子中GA3的含量,降低了ABA的积累,从而导致盐碱胁迫条件下种子ABA与GA3的比值降低;此外,在盐碱胁迫下播种1-3天后,亚精胺预处理的种子中IAA的含量显著提高。
  • 外源亚精胺间接刺激胞质Ca2+信号。与对照处理相比,亚精胺预处理导致羊草种子中H2O2积累增加30.38%,Ca2+积累增加了21.17%;为了进一步验证这一结果,研究使用DCFH2-DA和Fura-2-AM作为探针,定量分析了萌发种子中H2O2和Ca2+的相对分布。结果表明,亚精胺预处理后萌发种子中H2O2和Ca2+的荧光强度显着强于对照,亚精胺预处理种子中H2O2和Ca2+均表现出在胚中更特异的积累和富集。
  • 亚精胺通过影响多胺氧化酶活性维持过氧化氢的平衡。与对照处理相比,外源亚精胺处理显著提高了盐碱胁迫下羊草种子的POD、GR、APX和CAT酶活性;与对照处理相比,亚精胺预处理的种子中的PA氧化酶活性增加了2.49倍;此外,与对照萌发种子相比,亚精胺预处理后的种子中的亚精胺合酶活性和编码亚精胺合酶基因的相对表达量分别增加了1.19倍和1.94倍;同样,亚精胺预处理后种子中的亚精胺含量在播种1天后增加了2.19倍,在播种3天后增加了2.03倍。
  • 亚精胺减轻盐碱胁迫对质膜的损伤。在盐碱胁迫下,与对照相比,亚精胺预处理促进萌发种子中脯氨酸和可溶性糖含量积累;此外,与对照种子相比,亚精胺预处理种子中SOD活性在培养3天后增加了52.67%;与对照处理相比,亚精胺预处理的种子中超氧阴离子的荧光强度较弱,超氧阴离子含量也显示相似的趋势;与对照处理相比,亚精胺预处理的种子中的 MDA 含量在培养1天后下降了16.33%,在培养3天后下降了27.02%;值得注意的是,两种处理种子电导率的变化与MDA的积累完全一致。
  • 亚精胺改变了差异表达基因的富集谱。转录组测序数据表明,与对照种子相比,亚精胺预处理的种子中共有1195个基因表现出显着差异表达,其中770个基因表达上调,425个基因表达下调;GO富集分析表明重要的GO术语分为生物过程、细胞成分和分子功能三个亚类,上调的DEG基因主要参与代谢过程和分子功能的生物调控。参与生物过程的DEGs影响氧化还原过程、调节初级代谢过程、分解代谢过程、离子跨膜转运、应激反应和脂质代谢过程;而参与分子功能的DEGs参与离子结合,如作为钙调蛋白结合转录激活剂;氧化还原酶活性,例如 NAD(P)-连接的氧化还原酶;阴离子结合;碳水化合物衍生物结合;和离子跨膜转运蛋白活性,例如无机磷酸盐转运蛋白。KEGG分析还表明DEGs主要参与氧化磷酸化、氮代谢,如谷胱甘肽S-转移酶;柠檬酸循环(TCA循环);碳代谢,如1,3-β-葡聚糖基转移酶;次生代谢物和氨基酸的生物合成。

 

结论

      如图4所示,外源亚精胺不仅在增加兼容性代谢物的积累方面发挥渗透调节作用,而且还参与萌发种子中PA(多胺)合成途径以增强PAO酶(PA氧化酶)活性,从而在盐碱胁迫下平衡羊草种子中H2O2的产生和去除过程中发挥调节作用。在盐碱胁迫下,H2O2的有益积累促进了细胞质Ca2+的积累,H2O2和胞质Ca2+信号共同维持了羊草萌发种子中ABA 和GA之间的平衡,从而缩短了休眠期,提高了种子活力和发芽率。亚精胺介导过程中内源性PAs、H2O2和 Ca2+在细胞质和激素的有益积累表明,这项研究不仅揭示了盐碱条件下羊草萌发种子中亚精胺引发的调控途径的新见解,同时也为适当施加外源PA促进植物种子萌发提供科学参考。

.图4. 盐碱胁迫条件下亚精胺介导羊草种子抗性的推测调控模型。

 

测试液

0.1 mM CaCl2, 0.1 mM KCl, 0.1 mM MgCl2, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na2SO4, pH 6.0

 

NMT实验标准化方案

·盐胁迫研究NMT标准化方案

 

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

 

 

 

原文链接:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2021.701538/full

 

供稿:赵雪琦
编辑:刘兆义

 

关键词萌发;羊草;多胺氧化酶;盐碱胁迫;亚精胺;植物类

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

【成果回顾】Nature东英吉利大学Zipfel:无损“电生理”钙流为气孔免疫钙通道OSCA1.3的鉴定提供关键证据

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

【Nature】突破!植物气孔免疫的钙通道被发现! 

 

 

基本信息

主题:Nature东英吉利大学Zipfel:无损“电生理”钙流为气孔免疫钙通道OSCA1.3的鉴定提供关键证据

期刊:Nature

研究使用平台:NMT植物防御创新平台

标题:The calcium-permeable channel OSCA1.3 regulates plant stomatal immunity

者:Cyril Zipfel(苏黎世大学、东英吉利大学),Kathrin Thor(苏黎世大学),Shushu Jiang(中国科学院分子细胞科学卓越创新中心、东英吉利大学)

 

检测离子/分子指标

Ca2+

 

检测样品

5-6周龄拟南芥叶片下表皮保卫细胞

 

中文摘要

      对生物和非生物胁迫的感知通常导致植物气孔关闭。钙离子(Ca2+)穿过质膜的快速流入在这种反应中起着重要作用,但是所涉及的Ca2+通道的身份仍然难以捉摸。本研究报告拟南芥Ca2+渗透通道OSCA1.3控制免疫信号传导期间的气孔关闭。一旦发现病原体相关的分子模式(PAMP),OSCA1.3就会被快速磷酸化。生化和定量磷酸化蛋白质组学分析表明,免疫肽相关的胞质激酶BIK1在用肽PAMP flg22处理后数分钟内即可与OSCA1.3的N末端胞质环相互作用并使其磷酸化。遗传和电生理数据表明,OSCA1.3可渗透Ca2+,并且BIK1介导的N末端磷酸化增加了该通道的活性。值得注意的是,OSCA1.3及其被BIK1磷酸化对于免疫信号传导过程中的气孔关闭至关重要,而OSCA1.3在感知到脱落酸后,并不调节气孔关闭。因此,这项研究确定了植物Ca2+通道及其在免疫信号转导期间气孔关闭的激活机制,并提出了Ca2+内流机制对不同胁迫的响应的特异性。

 

离子/分子流实验处理方法

(1)1 µM flg22瞬时处理拟南芥(Col-0和osca1.3/1.7
(2)1 mM氯化镧处理拟南芥Col-0 10分钟后,加入1 µM flg22瞬时处理

 

离子/分子流实验结果

      使用非损伤微测技术检测Col-0和osca1.3/1.7保卫细胞的净Ca2+流速。结果发现,与Col-0相比,在加入flg22后7分钟内的Ca2+吸收速率在osca1.3/1.7中降低了(图b)。

 

图1. Col-0和osca1.3/1.7保卫细胞的净Ca2+流速。正值代表离子吸收。

 

      检测在有或没有进行氯化镧预处理的情况下的Col-0保卫细胞的Ca2+吸收速率,发现氯化镧处理后,在添加了flg22后8分钟内的Ca2+吸收明显被阻断(图c)。

图1. flg22诱导的Ca2+流速被镧阻。正值代表离子吸收。

 

其他实验结果

  • OSCA1.3与BIK1相关。

  • OSCA1.3被BIK1磷酸化,S54是主要的磷酸化位点。

  • OSCA1.3是一种BIK1激活的钙渗透通道。

  • OSCA1.3和OSCA1.7是气孔免疫所必需的。

  • 预测OSCA1.3的拓扑结构,包括可能的BIK1磷酸化位点和OSCA第1分支蛋白的环1多重对齐。

  • OSCA1.3定位于质膜。

  • PBL1也磷酸化OSCA1.3。

  • OSCA1.3促进HEK细胞钙内流。

  • OSCA1.3和OSCA1.7是BIK1激活的钙离子通道。

  • osca1.3/1.7中,AtPep1诱导的气孔导度降低受到损害。

 

结论

      该研究表明OSCA1.3是调节拟南芥免疫过程中气孔关闭的关键Ca2+通道,并且它的激活和功能都依赖于BIK1介导的磷酸化。该研究明确了一个长期受关注的Ca2+通道及其在免疫信号传导过程中激活气孔关闭的机制,并揭示了Ca2+内流机制在不同胁迫下的特异性。

 

测试液

1 mM KCl, 1 mM CaCl2, 10 mM MES, pH 6.0

 

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

 

 

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2702-1

 

供稿:赵雪琦
编辑:刘兆义

 

关键词植物防御;气孔;钙离子;Nature;非损伤微测技术;PAMP;植物类

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PCP林科院罗志斌:低N下杨树根前半部与后半部NH4+、NO3-实时吸收速率对比的生理特征和转录组剖析

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

 

 

 

基本信息

主题:低N下杨树根前半部与后半部NH4+、NO3-实时吸收速率对比的生理特征和转录组剖析

期刊:Plant and Cell Physiology

影响因子:4.927

研究使用平台:NMT植物营养创新平台

标题:Physiological Characteristics and Transcriptomic Dissection in Two Root Segments with Contrasting Net Fluxes of Ammonium and Nitrate of Poplar Under Low Nitrogen Availability

者:中国林科院林业研究所罗志斌、Yan Lu、Shurong Deng

 

检测离子/分子指标

NH4+NO3-

 

检测样品

银灰杨根,根段I(0-35 mm,SI)和根段II(35-70 mm,SII)

 

中文摘要

      为了研究低氮(N)条件下不同杨树根段NH4+和NO3-净流速差异的生理和转录调控机制,以500(正常N)和50(低N)μM NH4NO3处理下的银灰杨(Populus×canescens)幼树苗为材料。根段Ⅱ(SII,距顶端35-70mm)的NH4+和NO3-净流速,NH4+、氨基酸和有机酸浓度以及亚硝酸还原酶(NiR)和谷氨酰胺合成酶(GS)的酶活性均低于根段Ⅰ(SI,距顶端0-35mm)。在低氮条件下,SI和SII的NH4+净内流速率和有机酸浓度升高,而NH4+和NO3-浓度以及NiR和GS活性降低。一些基因在SII vs SI以及低氮与正常氮条件下生长的两个根段中都有显著差异表达,这些基因主要参与NH4+和NO3-的转运、N代谢和三磷酸腺苷的合成。此外,在正常和低氮条件下,分析了中枢基因共表达网络,并与SI和SII的N生理过程进行了关联。这些结果表明,中枢基因共表达网络在适应低N有效性条件下,对杨树两个根段的N吸收和同化、氨基酸代谢以及三羧酸循环中的有机酸水平起关键作用。

 

离子/分子流实验处理方法

500 μM(normalN,NN)、50 μM(low N,LN)NH4NO3培养2个月。

 

离子/分子流实验结果

      为了确定P.×canescens 中NH4+和NO3-净流速差异明显的根段,本研究利用非损伤微测技术NMT)在正常氮和低氮条件下,沿根部距离根尖区域70 mm处监测了的NH4+和NO3-净流速(图1A)。研究发现NH4+和NO3-净流速在0-35和35-70 mm的两个根段中表现出差异模式,而与氮素处理无关。因此,两个根段分别被定义为根段I(0-35 mm,SI)和根段II(35-70 mm,SII)。在正常和低氮条件下,SII中NH4+和NO3-净流速的均值显著低于SI。特别是,除了SI中NO3-净流速的均值没有显著变化外,与正常氮条件相比,低氮条件下SI和SII中NH4+和NO3-净流速均显著增加(图1B,C)。

 

图1. 在正常氮(NN)或低氮(LN)条件下P.×canescens SI和SII根段中NH4+和NO3-的净流速。正值代表离子吸收,负值代表离子外排。

 

其他实验结果

  • 在正常和低氮条件下,SII中的NH4+浓度分别比SI中的低41%和48%,而NO3-浓度没有观察到这种差异;相比于正常氮处理,低氮处理的杨树两个根段中NH4+和 NO3-浓度显著降低;此外,在低氮条件下,SII中NiR和GS酶活性显著低于SI;同时,在低氮条件下,SI和SII中NiR和GS的活性被显著抑制。
  • 在正常氮条件下,除L-丙氨酸、γ-氨基丁酸和精氨酸外,SII中所有氨基酸和总氨基酸的浓度相比于SI均降低了约17-55%,在低氮条件下也有类似的结果。
  • 在低氮条件下,SII中检测到的有机酸的浓度均比SI中低49-93%。
  • 转录组分析结果显示:
    1)在正常和低氮条件下,SII vs SI 分别有709和4, 936个mRNA显著差异表达。类似地,在SI和SII中,低氮vs正常氮分别有4, 994和2, 188 个基因显著差异调节;
    2)在低氮条件下,相比于SI,SII根段中与拟南芥同源的编码硝酸根转运蛋白(NRT1.12)和参与质子动力产生的四个基因(AHA1AHA2、AHA7AHA10)转录水平显著下调;
    3)在低氮条件下,相比于SI,SII根段中与拟南芥同源的编码硝酸根转运蛋白(NRT1.12)和参与质子动力产生的四个基因(AHA1AHA2、AHA7AHA10)转录水平显著下调;
    4)相比于正常氮处理的SII根段,低氮诱导与拟南芥同源AHA2AMT1;1AMT2;1BAMT2;1CAMT2;1DAMT2;1E和 NRT1.12的转录水平提高;

5)基因共表达网络分析(WGCNA)结果确定了五个共表达基因模块,每个模块中显著差异表达的基因数量从143到3,791,这些共表达网络调控SI和SII两个根段氮吸收和同化、氨基酸代谢及有机酸生物合成等途径。

 

结论

      如图2所示,P.×canescens SII 根区NH4+和NO3-的净内流低于SI根段。与SI相比,SII中NH4+、氨基酸和有机酸的浓度以及NiR和GS的活性也较低。响应低氮供应,尽管净NH4+净内流增加,但两个根段中NH4+和NO3-的浓度以及 NiR和GS的活性均降低。SI中的氨基酸浓度以及SI和SII中的有机酸浓度在低氮下均提高。这些氮生理变化与两个根段适应低氮的转录组重编程有关。特别是,在正常和/或低氮条件下,相比于SI根段,SII中一组基因(包括AHA2GSR1ASP1)转录水平的降低,与NH4+和NO3-的净内流的降低、GS酶活性的抑制以及氨基酸浓度的降低密切相关。在低氮供应条件下,杨树SI和/或SII根段AHA2AMT1;1AMT2;1B转录水平的上调,以及NiR1GSR2ASN1转录水平的下调,与较高的NH4+吸收速率、抑制的NiR和GS活性、降低的Asn浓度相一致。此外,研究分析了枢纽基因共表达网络,并将其与正常和低氮条件下生长的杨树两个根段中的氮生理过程相关联,包括NH4+和NO3-净流速、氮同化和氨基酸代谢。这些结果表明,在适应低氮可利用性过程中,枢纽基因共表达网络在调节杨树两个根段氮吸收和同化、氨基酸代谢以及TCA循环中有机酸生物合成等方面发挥着关键作用。

图2. 在正常氮(NN)或低氮(LN)条件下,P.×canescens SI和SII根段之间NH4+和NO3-差异流速的生理和转录调控模型。

 

测试液

500 μM NH4NO3, pH 6.0
50 μM NH4NO3, pH 6.0

 

NMT实验标准化方案

·植物营养研究NMT标准化方案

 

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

 

 

 

原文链接:https://academic.oup.com/pcp/advance-article-abstract/doi/10.1093/pcp/pcab137/6369018?redirectedFrom=fulltext

 

供稿:赵雪琦
编辑:刘兆义

 

关键词铵盐;硝酸盐;缺氮;杨树;根区;吸收;植物类