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基本信息

主题：NMT发现低氧胁迫促水稻根IAA积累调控根系发育

期刊：Environmental and Experimental Botany

影响因子：3.712

研究使用平台：NMT植物生长发育创新平台

标题：Comparative morphological and transcriptomic responses of lowland and upland rice to root-zone hypoxia

作者：河南农业大学赵全志、辛泽毓、刘娟

 

检测离子/分子指标

IAA，O₂

 

检测样品

水稻（低地和高地两种）距根尖0、200、300、600、900、1200、1500、2500 μm根表上的点。

 

中文摘要（谷歌机翻）

      就两种生态型而言，低陆和旱稻在低氧条件下表现出不同的耐受水平。然而，它们之间的水稻根缺氧耐受性的分子机制尚不完全清楚。这项研究的目的是评估一种低陆稻悦富（YF）和一种陆稻IRAT109（IR）基因型的根的形态，生理和转录变化。形态生理学分析表明，与IR相比，YF在低氧条件下显示的根长，根和茎生物量减少，在根中形成更多的气孔，并保持更多的氧流入。吲哚-3-乙酸（IAA）流速模式在YF和IR中显示出对缺氧的不同响应。在低氧条件下，IAF，乙烯和过氧化氢的含量在YF和IR中显著增加，而一氧化氮仅在YF中显著增加。随后，转录组分析显示，与IR相比，鉴定出更多的差异表达基因（DEG）对YF缺氧有反应。基因本体论（GO）和《京都基因与基因组百科全书》（KEGG）分析表明，两种基因型的DEG均富含能量代谢，通气组织形成，活性氧种类和细胞壁修饰，而YF中更多相关的DEG则显著丰富了这些途径比红外线YF中的特定DEGs尤其富含植物激素代谢和信号传导，例如生长素，茉莉酸和乙烯，而IR中的特定DEGs尤其富含光合作用。所有这些结果表明，YF比IR更耐缺氧，并阐明了低陆稻和旱稻差异耐缺氧性的某些特定机制。该研究为水稻遗传适应低氧胁迫提供了有价值的候选基因。

 

离子/分子流实验处理

10日龄幼苗分别在充足氧（4.5~6.0 mg L^-1）和缺氧（0.9~2.1 mg L^-1）条件下培养5 d。

 

离子/分子流实验结果

在氧气充足（Aer）的条件下，分生区吸收O₂比较剧烈。YF（低地品种）和IR（高地品种）在300 μm处吸收的O₂最多，其流速值分别达到79.14 pmol cm^-2s^-1和83.72 pmol cm^-2s^-1，而在缺氧（Hyp）条件下分别为44.77 pmol cm^-2s^-1和40.08 pmol cm^-2s^-1（图1a）；IR明显降低的更多一些。这说明，分生区是水稻根部感受氧的关键区域，IR对缺氧条件更加敏感。

根分生区同时也是IAA较为敏感的区域。缺氧条件下，除IR的300 μm处之外，两种水稻均表现为吸收IAA。氧气充足时，YF和IR在600 μm处的IAA吸收速率分别为29740 fmol cm^-2s^-1和35092 fmol cm^-2s^-1；而在缺氧条件下分别为8864 fmol cm^-2s^-1和5441 fmol cm^-2s^-1（图1b）。结合IAA含量测定结果，发现缺氧促使根部积累IAA。这说明生长素参与了缺氧条件下根系发育的调控过程。

 

 

图1. 沿水稻根尖O₂和IAA流速的变化。

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, pH 5.5

 

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，河南地区的河南农业大学于2014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://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2019.103916

 

关键词：非损伤微测技术；IAA；O₂；逆境；缺氧

 

 

 

 

 

 

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基本信息

主题：NMT发现AKR2A协调IAA和H₂O₂积累调控棉纤维伸长

期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子：6.840

研究使用平台：NMT植物生长发育创新平台

标题：AKR2A participates in the regulation of cotton fibre development by modulating biosynthesis of very long-chain fatty acids

作者：中国农科院棉花所李付广、浙江省农科院沈国新、胡文君、Lin Chen

 

检测离子/分子指标

IAA，H₂O₂

 

检测样品

棉纤维尖端

 

中文摘要（谷歌机翻）

      超长链脂肪酸（VLCFA）的生物合成及其运输是纤维发展所必需的。但是，此过程是否涉及其他监管因素尚不清楚。研究报告，棉花中拟南芥基因锚蛋白重复序列蛋白2A（AKR2A）的过表达促进了纤维的伸长。RNA‐Seq分析用于阐明AKR2A调节棉纤维发育的机制。在AKR2A转基因品系中，VLCFA含量和VLCFA与短链脂肪酸的比率增加。另外，AKR2A通过调节乙烯并与植物生长素和过氧化氢的积累协同作用来促进纤维伸长。RNA-Seq数据分析表明，AKR2A上调参与VLCFAs生物合成，乙烯生物合成，生长素和过氧化氢信号，细胞壁和细胞骨架组织的基因的转录水平。此外，在体外和体内，AKR2A与拟南芥中的KCS1相互作用。此外，AKR2A过表达品系和AKR2A/KCS1共过表达品系的种子中VLCFA含量和VLCFA与短链脂肪酸的比率显著增加，而AKR2A突变体则相反。本研究的结果揭示了一种新颖的棉纤维生长机制，关键调节剂AKR2A通过介导VLCFA生物合成，通过激活激素信号传导级联来促进纤维发育。这项研究为通过基因工程提高纤维产量和质量提供了潜在的候选基因。

 

离子/分子流实验处理

开花后15 d的棉花纤维。

 

离子/分子流实验结果

      WT中IAA的平均外排速率为4262.30 fmol cm^-2s^-1；而AKR2A-2和AKR2A-57的外排速率平均值分别是14298.01 fmol cm^-2s^-1和13685.83 fmol cm^-2s^-1，显然AKR2A-OE的IAA外排速率明显高于WT。WT中H₂O₂的平均外排速率为0.02 pmol cm^-2s^-1；而AKR2A-2和AKR2A-57的吸收速率平均值分别是0.49 pmol cm^-2s^-1和0.80 pmol cm^-2s^-1。相比于WT，AKR2A-OE的IAA外排速率和H₂O₂吸收速率在纤维伸长过程中明显增加。

 

图1. 过表达AKR2A和野生型棉花的开花后15天纤维中的IAA和H₂O₂流速。正值代表IAA和H₂O₂外排，负值代表IAA和H₂O₂吸收。

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na₂SO₄, 0.1% sucrose, pH 6.0

 

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，浙江地区的中国林业科学研究院亚热带林业研究所于2014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/full/10.1111/pbi.13221

 

关键词：非损伤微测技术；植物生理；纤维发育；IAA；H₂O₂

 

 

 

 

 

 

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基本信息

主题：NMT发现胞质酸化激活阴离子通道SLAH3排氯排硝 为验证SLAH3是pH感受器提供直接证据

期刊：Current Biology

影响因子：10.834

研究使用平台：NMT水旱胁迫创新平台

标题：Acidosis-induced activation of anion channel SLAH3 in the flooding-related stress response of Arabidopsis

作者：维尔茨堡大学Rainer Hedrich、Tobias Maierhofer、Julian Lehmann

 

检测离子/分子指标

阴离子（NO₃^-、Cl^-）

 

检测样品

7日龄拟南芥（WT、slah3-1）根、叶肉细胞

 

类似代表性NMT文献

·PP兰大何凯：NMT发现阴离子通道调节因子调节硝酸盐通道促硝酸盐外排缓解植物铵毒

·加州大学栾升、兰大何凯：NMT发现AtPiezo介导植物根冠Ca2+流响应机械力

·MP万建民院士：无损“电生理”钙流为揭示OsCNGC9通道调控水稻低温响应机制提供直接证据

·Nature：NMT为气孔免疫钙通道的发现提供重要证据 | NMT植物防御创新科研平台

 

中文摘要（谷歌机翻）

      植物作为固着生物，获得了感知和响应生物和非生物胁迫的能力，从而在环境的剧烈变化中生存。气候的变化除了极端的干旱，也会有洪水发生。水淹胁迫会导致厌氧引发的细胞质酸中毒并损害植物功能。使植物细胞感知到酸性并通过膜去极化传递这种信号的分子机制以前是未知的。本研究表明酸中毒诱导的拟南芥根阴离子外排依赖于S型阴离子通道AtSLAH3。SLAH3在爪蟾卵母细胞中的异源表达表明，阴离子通道被细胞质pH值的一个小的生理性下降直接激活。酸中毒引起的SLAH3的激活是由组氨酸330和454的质子化所介导的。超分辨率显微镜分析表明，细胞内质子浓度的增加使SLAH3从电沉默的通道二聚体转变为活性单体形式。研究结果表明，酸化后，质子直接将SLAH3转换为开放构型，绕过激酶依赖性激活。此外，在水淹条件下，与SLAH3功能丧失的突变体相比，野生型拟南芥的应激响应显著更高。本研究关于SLAH3 pH传感器功能的遗传证据可以指导改良具有更好的抗逆性的作物品种。

 

离子/分子流实验处理

1mM NaOAc或10 μM ABA实时处理

 

离子/分子流实验结果

      在植物对各种胁迫（包括缺氧）的响应中，有人推测细胞膜酸化和质膜去极化之间有直接联系。这种响应也可以通过向拟南芥幼苗的根部施加ABA来触发，导致野生型（WT）植株的细胞质pH下降，并且诱导阴离子外排。在SLAH3基因敲除的植株（slah3-1）中没有这种阴离子外排的现象（图1）。

 

图1. 10 μM ABA实时处理诱导的拟南芥WT或slah3-1根表面的阴离子流速。正值表示阴离子外排。

 

      在细胞质酸中毒开始时，在WT植物中观察到强烈的阴离子外排（图2），但在slah3-1突变体中未观察到类似现象（图2）。当植物完全淹没水中时，所有被淹没的植物组织会受到低氧胁迫。因此，作者对酸中毒是否也能在叶肉细胞中触发SLAH3激活进行了研究。10 mM醋酸盐处理会引起阴离子外排增加，而slah3-1中不存在这种情况（图3）。

 

图2. 1 mM NaOAc实时处理诱导的拟南芥WT或slah3-1根表面的阴离子流速。正值代表阴离子外排。

 

图3.10 mM 醋酸盐实时处理诱导的拟南芥WT或slah3-1叶肉细胞表面用阴离子流速。正值代表阴离子外排。

 

 其他实验结果

• 在非洲爪蟾卵母细胞中异源表达SLAH3，并利用可引起胞质酸化的醋酸钠（NaOAc）处理发现，阴离子通道能够直接被细胞质pH值的小幅生理性下降激活。

• 随着pH值的降低，电流幅度的增加与单通道电导的增加无关，表明可激活的SLAH3通道数量的增加依赖于细胞质pH。

• 通过超分辨率显微镜分析表明，细胞质子浓度的增加将SLAH3从非功能性同源二聚体转变为活性单体形式。

• 为检测和鉴定组氨酸残基是否参与AtSLAH3的pH感应，基于HiTehA晶体结构对SLAH3进行建模分析发现，酸中毒触发的SLAH3激活是由两个胞内组氨酸残基His330和His454的质子化介导的，它们对于pH依赖性SLAH3门控和单体化至关重要。

• 为研究低氧胁迫下SLAH3的功能，将拟南芥WT以及slah3敲除株系进行黑暗浸水处理。Fv/Fm值所代表的光合能力可作为植物涝渍胁迫响应的敏感指标，检测结果发现在黑暗中浸水5天后，WT的光合能力急剧下降，而在slah3突变体中胁迫诱导的Fv/Fm降低程度较小，这表明SLAH3使WT植株能够触发明显的应激反应。

 

结论

该项研究表明酸中毒诱导的拟南芥根系阴离子外排依赖于S型阴离子通道AtSLAH3：（1）细胞质酸中毒触发SLAH3介导的阴离子外排；（2）SLAH3通过两个特定组氨酸残基的质子化而直接激活；（3）细胞质酸化后，SLAH3二聚体单体化，触发通道的激活；（4）SLAH3在水淹条件下的植物缺氧响应中起作用。

阴离子通道SLAH3可以通过特定的组氨酸残基感知细胞酸中毒，从而从“沉默”二聚体转变为活性单体。淹水条件下，低氧诱导的酸中毒触发SLAH3介导的质膜去极化，导致拟南芥光合能力下降。

 

图3. 质子依赖性SLAH3激活的简化模型。

 

测试液

根：0.1 mM KCl，1 mM CaCl₂，5 mM MES/BTP，pH 5.6
叶肉细胞：0.1 mM KCl，1 mM Ca(NO₃)₂，10 mM MES/BTP，pH 5.6

 

 

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.06.018

 

关键词：水淹胁迫；阴离子通道；酸中毒；SLAH3；组氨酸；光合

 

 

 

 

 

 

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郭岩课题组成果回顾

·Nat Commun郭岩：Ca2+激活的14-3-3蛋白在盐胁迫中充当分子开关

·MP谢旗郭岩：Na+流为SOS调控植物耐盐新机制研究提供证据 | NMT植物耐盐创新科研平台

 

基本信息

主题：NMT发现PI4P/PI动态调控质子泵、Na-H逆向转运体活性 调节植物耐盐

期刊：Molecular Plant

影响因子：13.164

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：Dynamic changes of phosphatidylinositol and phosphatidylinositol 4-phosphate levels modulate H⁺-ATPase and Na⁺/H⁺antiporter activities to maintain ion homeostasis in Arabidopsis under salt stress

作者：北京大学雷晓光、XiuliHan，中国农业大学郭岩、杨永青、马亮

 

检测离子/分子指标

Na⁺、H⁺

 

检测样品

拟南芥根分生区，距根尖120 μm 根表上的点

 

中文摘要（谷歌机翻）

      在环境变化下，植物的代谢物会动态地改变和分布。然而，目前人们对代谢产物在植物逆境响应中如何改变功能的还很不清楚。盐胁迫下维持离子稳态需要协调激活PM H⁺-ATPase和Na⁺/H⁺逆向转运体这两种中枢调节物质。本文采用生物引导分离方法，鉴定了影响PM H⁺-ATPase和Na⁺/H⁺逆向转运体活性的内源性小分子，发现磷脂酰肌醇（PI）通过直接与PM H⁺-ATPase AHA2的C端结合而抑制拟南芥在非胁迫条件下PM H⁺-ATPase的活性。盐胁迫下，磷脂酰肌醇4-磷酸（PI4P）/PI比值升高，PI4P结合并激活PM Na⁺/H⁺逆向转运体活性。PI更倾向于与PM H⁺-ATPase的非活性形式结合，而PI4P倾向于与Na⁺/H⁺逆向转运体的活性形式结合。同样，pis1突变体的PI水平降低，表现出PM H⁺-ATPase活性和耐盐性增强；而pi4kβ1突变体的PI4P水平降低，表现出PM Na⁺/H⁺逆向转运体活性和耐盐性减弱。综上所述，本文揭示了拟南芥在盐胁迫下PI与PI4P之间的动态变化，对于维持离子稳态以保护植物免受不利环境条件的影响至关重要。

 

离子/分子流实验处理

H⁺：7日龄拟南芥幼苗在含有75 mM NaCl的MS培养基中培养24 h。
Na⁺：7日龄拟南芥幼苗在含有100 mM NaCl的MS培养基中培养24 h。

 

离子/分子流实验结果

      使用非损伤微测技术（NMT）检测Col-0, pis1-1, pis1-2,COM1 and COM2的H⁺流速。将7日龄幼苗转入含75 mM NaCl（pH 8.1）的MS培养基中培养24 h，测定根尖H⁺流速。pis1-1和pis1-2植物的H⁺流速与Col-0相比显著增加，而COM1和COM2植物的H⁺流速与Col-0植物相同（图1C, D）。因此，在PI含量减少的pis1突变体中，PM H⁺-ATPase活性增加，表明PI在体内抑制了PM H⁺-ATPase的活性。

 

图1. Col-0、pis1-1、pis1-2、COM1和COM2根尖的净H⁺外排速率。正值代表H⁺外排。

 

      在100 mM NaCl预处理24 h后，用NMT检测Col-0外排明显减少，而COM1和COM2互补系的Na⁺外排被恢复到WT水平（图2C, D）。

 

图2. Col-0、pi4kβ1、COM1和COM2根尖的净Na⁺外排速率。正值代表Na⁺外排。

 

 其他实验结果

• 采用生物引导分离方法对拟南芥Col-0幼苗粗提物进行分离，通过质谱等分析，发现PI能结合并调节PM H⁺-ATPase活性。

• 外源PI可能通过抑制PMH⁺-ATPase活性而抑制植物和酵母生长。

• PI在正常条件下可能维持PM H⁺-ATPase活性的自抑制状态。

• PI通过直接特异性的结合在PM H⁺-ATPase AHA2的C端，在AHA2 C^S931位点的磷酸化增强了PI-AHA2的结合亲和力，在非胁迫条件下抑制PM H⁺-ATPase活性。

• 为了确定PI是否也抑制植物中体内的PM H⁺-ATPase活性，从拟南芥生物资源中心获得了两个编码拟南芥PI合成关键酶的T-DNA插入突变体pis1-1和pis1-2，利用遗传学证据表明，内源性PI负调控PM H⁺-ATPase活性。

• PI生物合成调控通过调节PM H⁺-ATPase活性参与植物盐胁迫响应。

• PI4P不影响PI介导的抑制PM H⁺-ATPase活性，对PI与AHAC的结合活性也没有影响。

• 质膜中PI的含量远高于PI4P，且在盐胁迫下PI4P和PI(4,5)P2的含量较非盐胁迫下显著增加，PI4P/PI比值在盐胁迫下升高。

• 盐胁迫下，PI被代谢成PI4P，并释放PM H⁺-ATPase的活性以提供质子梯度；同时，PI4P激活PM Na⁺/H⁺逆向转运体的活性，将Na⁺运出细胞。

• PI倾向于与PM H⁺-ATPase的非活性形式结合，而PI4P倾向于与Na⁺/H⁺逆向转运体的活性形式结合。在pi4kβ1突变体（PI4Kβ1是PI合成PI4P的关键酶）中，PI4P水平降低，PM Na⁺/H⁺逆向转运体活性降低，耐盐胁迫能力下降。

• 内源性PI4P可激活质膜Na⁺/H⁺逆向转运体的活性。

• 拟南芥内源性PI4P参与调控PM Na⁺/H⁺逆向转运体在盐胁迫下的活性。

• 内源性PI4P正调节PM Na⁺/H⁺逆向转运体活性。

• PI4P更倾向与高度活化的SOS1结合，这也许是为了在盐胁迫下维持或激活SOS1的活性。

• NaCl处理可诱导PI4K激酶活性，增加质膜中PI4P含量。

 

结论

      本研究通过生物引导分离法鉴定了一个内源性脂质分子PI，它与PM H⁺-ATPase结合，并在非胁迫条件下抑制其活性，在盐胁迫下，PI与PM H⁺-ATPase解离，进而降低其抑制作用，使PM H⁺-ATPase被激活。根据这一观点，PI4K激酶的活性被盐胁迫诱导，将PI代谢成PI4P，后者结合并激活PM Na⁺/H⁺逆向转运体SOS1。PM H⁺-ATPase活性的增加产生了一个跨膜质子梯度，直接激活SOS1，将Na⁺运出细胞（图3G）。本研究揭示植物通过调节代谢物的变化来协同调节关键酶活性，使植物能够对逆境胁迫做出响应。

图3. PI和PI4P动态变化如何在调节离子稳态中发挥关键作用的模型。

 

测试液

0.1 mM CaCl₂，0.3 mM MES，0.5mM KCl，pH 6.0

 

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，北京地区的北京大学、中国农业大学分别于2019、2020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://doi.org/10.1016/j.molp.2021.07.020

 

关键词：拟南芥；磷脂酰肌醇；内源性小分子；H⁺-ATPase；Na⁺/H⁺逆向转运体；盐胁迫