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旭月NMT简报---关键词搜索:

EEB山农杨兴洪:NMT发现甜菜碱促烟草保K+吸H+排Cd2+ 为探究其提升烟草Cd耐受机制提供证据

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发现甜菜碱促烟草保K+H+Cd2+ 为探究其提升烟草Cd耐受机制提供证据

期刊:Environmental and Experimental Botany

影响因子:5.545

研究使用平台:NMT重金属胁迫创新平台

标题:Genetic engineering of glycinebetaine synthesis enhances cadmium tolerance in BADH-transgenic tobacco plants via reducing cadmium uptake and alleviating cadmium stress damage

者:山东农业大学杨兴洪、刘洋、李重阳、张天鹏、Pengwen Feng

 

检测离子/分子指标

Cd2+、H+、K+

 

检测样品

野生型和BADH转基因烟草植株根、地上部分和根的连接处

 

中文摘要(谷歌机翻)

      镉(Cd)是一种对植物有毒的非必要元素,其在植物体内的积累可通过食物链影响人体健康。甜菜碱(GB)是植物抵御非生物胁迫的有效渗透调节物质,在各种逆境发挥重要作用。为了研究内源性GB在体内的积累是否能增强对镉的耐受性,研究使用甜菜碱醛脱氢酶(BADH)转基因烟草植物来探索GB在镉胁迫条件下的重要作用。结果表明,烟草暴露在镉胁迫下导致生长抑制和生物量降低,光合作用降低,必需矿物质吸收减少,氧化应激增加。然而,转基因烟草中GB的积累显著提高了对Cd的耐受性,表现为生长抑制减弱、光合速率提高和活性氧积累减少。GB可以调节Cd的吸收和转运,从而降低Cd的积累。此外,GB还减少了Cd胁迫下K+的外排,并调节离子转运基因以维持元素平衡。本研究结果提出了GB在提高转基因植物的Cd胁迫耐受性方面的新作用,建议GB作为缓解其他作物Cd毒性的潜在候选物

 

离子/分子流实验处理

3周龄烟草幼苗0.5 mM CdCl2处理24 h

 

离子/分子流结果

研究使用非损伤微测技术(NMT)测试了植物生长初期根尖中的Cd2+流速。BADH转基因株系中Cd2+的内流少于未经Cd处理的WT株系。0.5 mM CdCl2处理后,WT株系Cd2+外排,平均值为131.81 pmol cm-2s-1BADH转基因株系Cd2+外排增强,平均值为188.60 pmol cm-2s-1(图1A, B)。结果表明,转基因植株比野生型植株具有更大的净Cd2+流速范围。为了研究Cd对其他离子流速的影响,研究检测了有无0.5 mM Cd处理下的烟草植物中净H+和K+流速的变化。在无Cd处理下,转基因植株和WT株系的净H+流速差异不大。然而,在0.5 mM CdCl2处理下,H+内流显著增加,且这种增加在转基因植株中更为明显(图1C, D)。在Cd胁迫下,BADH转基因株系和WT株系的K+流速曲线有明显的差异,K+的平均流速由内流变为外排,且WT株系中Cd胁迫诱导的K+外排速率大于转基因株系(图1E, F)。这些结果表明GB在Cd诱导下减少了K+外排,增强了Cd胁迫下烟草根部的H+内流

为了进一步探讨其在GB影响Cd2+流速中的作用,研究分析了抑制剂对BADH-转基因植株和WT的Cd2+流速的影响。使用可以抑制质膜(PM)H+-ATPase的NaVO4处理烟草。垂直培养10 d后,用NMT检测地上部分和根的连接处。在含有Cd2+的测试溶液中,BADH-转基因株系的Cd2+流入明显更强(图1G)。当加入抑制剂时,BADH-转基因系的Cd2+吸收明显减少(图1H)。这些结果表明,GB通过PM H+-ATPase影响Cd2+的吸收

 

图1. 镉胁迫下不同离子流速的变化。正值代表Cd2+、H+、K+外排,负值代表Cd2+、H+、K+吸收

 

其他实验结果

  • 在Cd胁迫下,转基因植株中积累GB可促进植株的生长和根系发育。

  • 在Cd胁迫下,转基因烟草植株中GB的积累保护叶绿体色素,维持较高的光合速率

  • 转基因烟草植株中GB的积累缓解了Cd胁迫诱导的PSII和PSI光抑制。

  • 在Cd胁迫条件下,GB通过调节抗氧化酶防御系统减少ROS的积累

  • GB降低Cd积累,维持Cd胁迫下转基因植株的营养元素平衡。

  • GB可能参与调节一些与Cd吸收和转运相关基因的表达。

 

结论

      在图2中提出了一个精确的机制假设。将甜菜碱醛脱氢酶BADH基因导入烟草体内积累GB,导致烟草对Cd胁迫的耐受性增强。转基因植物抗Cd毒性的最基本机制是由于GB在Cd胁迫下降低转基因植物中Cd积累的作用。这在一定程度上与GB调控Cd吸收、转运基因和PM H+-ATPase的调控有关,从而减轻Cd对转基因植株的毒害,维持离子平衡。此外,GB能够增强较高的抗氧化酶活性以清除更多的Cd诱导产生的ROS,从而保护光系统I和II免受Cd胁迫造成的损伤,有助于维持较高的光合速率,从而使转BADH基因烟草植株更好的生长发育。因此,GB可作为缓解其他作物镉毒害的潜在候选物质

2. 甜菜碱调控植物镉耐受性的潜在机制模型

 

测试液

0.5 mM CdCl2, 0.1 mM CaCl2, pH 6.0

 

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原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S009884722100232X?via%3Dihub

 

供稿:赵雪琦
编辑:杨爽
校稿:卻彦晗

 

关键词:甜菜碱;镉胁迫;光保护作用;离子交换;氧化防御;植物类