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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

 

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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