PBJ浙大陈仲华、邬飞波：HvAKT2和HvHAK1通过增强叶肉H+稳态提升耐旱能力

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

 

 

基本信息

主题：HvAKT2和HvHAK1通过增强叶肉H⁺稳态提升耐旱能力

期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子：6.840

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：HvAKT2 and HvHAK1 Confer Drought Tolerance in Barley through Enhanced Leaf Mesophyll H⁺ Homeostasis

作者：浙江大学邬飞波、冯雪，西悉尼大学、长江大学陈仲华

 

检测离子/分子指标

K⁺，H⁺，Ca²⁺

 

检测样品

大麦叶肉细胞

 

中文摘要（谷歌机翻）

      植物对K⁺的吸收通常包括由K⁺通道（AKT/KAT/KC）介导的低亲和力机制和受HAK/KUP/KT转运蛋白调控的高亲和力机制组成，这些机制已被广泛的研究。然而，在适应旱地农业的作物中，这两种K⁺吸收机制在耐旱性方面的进化和遗传机制还没有得到充分的研究。因此本研究采用进化生物信息学、生物技术和非损伤微测技术来确定两个重要的K⁺转运蛋白HvAKT2和HvHAK1在大麦耐旱性中的作用。在耐旱型野生大麦XZ5中通过基因沉默（BSMV-VIGS）技术克隆了HvAKT2和HvHAK1，并对其进行功能鉴定。在大麦品种“Golden Promise”中进行了农杆菌介导的基因转移。HvAKT2和HvHAK1均定位于质膜，对K⁺和Rb⁺的选择性高于其他测试阳离子。HvAKT2和HvHAK1的过表达增强了K⁺的吸收和H⁺的稳态，导致这些转基因株系具有耐旱性。此外，与野生型和沉默株系相比，过表达株系HvAKT2和HvHAK1对K⁺、H⁺和Ca²⁺跨膜流速以及叶片中NO和H₂O₂的产生有明显的响应。高亲和力和低亲和力的K⁺吸收机制及其与H⁺稳态的协同作用在野生大麦干旱适应性至关重要。这些发现可能有助于未来在全球气候变化中培育抗逆性强的谷类作物。

 

离子/分子流实验处理

1. 20% PEG瞬时处理大麦叶片制备叶肉组织，测试液中平衡2 h后，用20% PEG瞬时处理
2. 20% PEG预处理制备叶肉组织，用20% PEG处理0、1、12、24 h

 

离子/分子流实验结果

      干旱（20% PEG处理1 h）导致接种了BSMV:HvAKT2和BSMV:HvHAK1的干旱敏感型大麦叶片叶肉H⁺由外排向内流转变（图1e）。相反，与Golden Promise相比，HvAKT2和HvHAK1过表达则显著增加了叶肉对干旱胁迫的响应（图1）。

 

图1. 干旱胁迫下转基因大麦叶片H⁺流速的研究。负值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺外排，正值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺吸收。

 

然后对所有大麦品系（XZ5、沉默株系、Golden Promise和过表达株系）在24 h内进行K⁺、H⁺和Ca²⁺流速测定，以了解HvAKT2和HvHAK1在大麦抗旱性中的作用。与对照相比，在PEG诱导的干旱胁迫1 h和12 h后，沉默HvAKT2和HvHAK1株系的叶肉组织K⁺的吸收显著降低（图2a, d）。模拟接种的植株在对照组和PEG诱导干旱处理的植株叶片中表现出H⁺外排，而HvAKT2-和HvHAK1-沉默的植株在PEG诱导后则表现出的H⁺内流（图2b, e）。BSMV:HvHAK1植株叶片叶肉细胞Ca²⁺流速在干旱处理1 h和12 h后显著增加（图2c, f）。在沉默株系的根部观察到类似的K⁺、H⁺和Ca²⁺流速趋势。

在过表达HvAKT2和HvHAK1的植物的叶肉组织中，PEG诱导的干旱胁迫导致HvAKT2-OX和HvHAK1-OX植物的K⁺内流速率比Golden Promise高2.6倍和1.8倍（图2a）。在所有植物中，经过PEG处理24 h后，K⁺内流速率均减少，但在过表达株系中，其K⁺内流速率（70~80 nmol m^-2s^-1）仍显著高于对照（图2a, d）。在对照和PEG诱导的干旱处理1 h和12 h后，过表达HvAKT2和HvHAK1的植物比Golden Promise保持着更显著的H⁺外排（图2b, e）。HvAKT2-OX植株叶片叶肉细胞的Ca²⁺流速在干旱1 h和12 h后显著增加（图2c, f）。

 

 图2. 干旱胁迫下转基因大麦叶片离子流速的研究。负值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺外排，正值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺吸收。

 

陈仲华课题组NMT成果回顾

S Shabala、陈仲华：NMT发现盐胁迫下耐盐水稻叶肉细胞排K+排Cl-更低

 

测试液

0.1 mM CaCl₂, 0.5 mM KCl, pH 5.8

 

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，浙江地区的中国水稻研究所于2016年采购了旭月（北京）科技有限公司的非损伤微测系统。

 

 

 

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13332

 

关键词：植物逆境；K⁺；H⁺；Ca²⁺；干旱胁迫；叶肉