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基本信息

主题：NMT发现外源SA促羊草种子吸O₂提升排Na⁺保K⁺/Ca²⁺能力提高种子发芽率

期刊：Environmental and Experimental Botany

影响因子：4.027

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：Exogenous salicylic acid signal reveals an osmotic regulatory role in priming the seed germination of Leymus chinensis under salt-alkali stress

作者：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

Ca²⁺、K⁺、Na⁺、O₂

 

检测样品

羊草种子，种子胚顶部

 

中文摘要

      渗透调节剂在提高植物种子活力以应对非生物胁迫方面起着重要的调节作用。但种子萌发率较低一直是限制羊草繁殖的障碍因素，特别是在盐碱化的土壤中。本研究通过水杨酸浸种处理羊草种子，探讨外源水杨酸是否参与盐碱胁迫下羊草种子萌发的渗透调节。本文报道了水杨酸对促进羊草种子发芽率的诱导作用。数据表明，盐碱胁迫下，外源水杨酸促进了羊草萌发种子中O₂的内流，从而提高了呼吸强度，引发了萌发种子的一系列生理变化。外源水杨酸通过调节Na⁺、K⁺、Ca²⁺等离子以及脯氨酸、可溶性糖等相容代谢产物的积累，平衡渗透势，降低质膜的渗透损伤。外源水杨酸处理增加了盐碱胁迫下羊草种子Na⁺的外排，抑制了K⁺和Ca²⁺的外排，从而降低了盐碱胁迫下羊草种子萌发过程中Na⁺的积累，使更多的K⁺和Ca²⁺保留下来，从而提高了羊草种子萌发过程中抗氧化酶的活性，减轻了损伤，促进了信号因子H₂O₂的积累，提高了羊草种子的发芽率。

 

离子/分子流、离子浓度成像实验处理方法

选取0.1 mM 水杨酸（SA）、蒸馏水（对照）处理，盐碱土培养3 d后的羊草种子测定Na⁺、K⁺、Ca²⁺流速，另外选取0.1 mM 水杨酸和对照浸种12 h后和盐碱土培养3 d后的羊草种子进行O₂的测定。

 

离子/分子流、离子浓度成像实验结果

      研究采用非损伤微测技术（NMT）测定萌发种子表面的O₂内流。结果表明，萌发培养3 d后，0.1 mM SA处理下萌发种子的O₂速率显著高于对照（图1H），但盐碱胁迫下种子的呼吸强度有所降低。此外，0.1 mM SA处理后O₂内流速率显著高于对照（图1I），说明SA可以提高盐碱胁迫下羊草种子的发芽率和活力。

 

图1. 羊草种子O₂吸收。

 

      为了进一步探究为什么用0.1 mM SA处理会减少Na⁺的含量，而增加Ca²⁺、K⁺的积累，研究用NMT测量了用0.1 mM SA处理和对照组在培养3 d后的发芽种子的胚顶部的Na⁺、K⁺和Ca²⁺的流速和浓度空间成像。结果显示，0.1 mM SA处理和对照组都明显表现出Na⁺的外排（图2A），但0.1 mM SA处理表现出比对照组更高的Na⁺外排，Na⁺的平均速率达到1144 pmol cm^-2⋅s^-1，与对照组相比，增加了4.66倍（图2B）。Na⁺浓度空间成像表明，虽然对照处理下种子表面Na⁺含量增加，但种子表面Na⁺积累量明显低于SA处理（图2C）。与对照K⁺的外排不同，0.1 mM SA处理下萌发的种子虽然K⁺流速较低，但仍然是内流（图2D），种子胚顶部的平均内流速率仅为0.68 pmol cm^-2·s^-1。值得注意的是，对照组中K⁺平均外排速率达到341.81 pmol cm^-2⋅s^-1（图2E），对照组中萌发种子表面的K⁺浓度也明显低于SA处理时的浓度，表明对照组中发生了巨大的K⁺外排（图2F）。Ca²⁺流速数据表明，在用0.1 mM SA处理和对照组中，检测到稳定的Ca²⁺外排（图2G）。与对照组相比，用0.1 mM SA处理后的Ca²⁺外排速率明显降低（图2H），用0.1 mM SA处理的种子表面的Ca²⁺浓度也比对照组低（图2I）。

 

图2. 在盐碱胁迫下，外源SA改变了羊草发芽种子表面的离子流速。(A) Na⁺的瞬时流速 (B) Na⁺平均流速 (C) 种子表面Na⁺浓度空间成像（0-150 μm）。(D) K⁺的瞬时流速 (E) K⁺平均流速 (F) 种子表面K⁺浓度的空间成像（0-150 μm）。(G) Ca²⁺的瞬时流速 (H) Ca²⁺平均流速 (I) 种子表面Ca²⁺浓度空间成像（0-150 μm）。 

 

其它实验结果

• 外源SA提高了羊草种子的活力和发芽率。

• 盐碱胁迫下外源SA影响了种子休眠。

• 盐碱胁迫下外源SA激活了羊草种子抗氧化酶系统。

• 外源SA缓解了盐碱胁迫对质膜的损伤。

• 盐碱胁迫下外源SA改变了Na⁺、K⁺和Ca²⁺的积累。

• 盐碱胁迫下外源SA触发转录水平的变化。

 

结论

      综上所述，合理剂量的外源SA可以作为渗透调节剂促进羊草种子萌发，0.1 mM SA的施用浓度有效提高了盐碱胁迫下羊草种子的活力和萌发。通过增加内源SA和O₂流入，SA在平衡羊草萌发种子中的内源性激素和渗透物方面发挥了重要的渗透调节作用（图3）。此外，外源SA通过调节信号因子H₂O₂、渗透物质以及Na⁺、K⁺、Ca²⁺等离子在羊草种子萌发过程中的积累，提高抗氧化酶活性，保护细胞膜的完整性。本研究表明，SA主要通过调控盐碱胁迫下羊草种子萌发过程中离子分泌和渗透调节物质积累途径发挥作用，外源SA将为促进盐碱化土壤羊草种子萌发和繁殖提供有效参考。调节外源SA介导的植物种子的生理和渗透响应，也揭示了在非生物胁迫下减轻渗透胁迫对发芽种子的损害的一个启示。

 

图3. 盐碱胁迫下，SA介导羊草种子萌发的一种假设调控途径。 

 

测试液

0.1 mM CaCl₂, 0.1 mM KCl, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na₂SO₄, 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、首都师范大学分别于2019年、2015年、2006采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2021.104498

 

关键词：羊草；渗透平衡；引物；水杨酸；种子萌发；盐碱胁迫

 

 

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基本信息

主题：NMT发现IAA可促草莓排Na^＋保K^＋缓解盐胁迫

期刊：Plant Physiology and Biochemistry

影响因子：3.72

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：Auxin alters sodium ion accumulation and nutrient accumulation by playing protective role in salinity challenged strawberry

作者：山东农业大学李玲、杨超、张蕊

 

检测离子/分子指标

Na⁺、K⁺

 

检测样品

草莓根

 

中文摘要

       土壤中的高盐会影响草莓产量和果实品质，生长素诱导的植物对土壤盐渍化的响应会增强。本研究表明，外源施加IAA可以部分缓解草莓幼苗的应激反应。细胞学分析表明，在高盐条件下，草莓幼苗根尖和叶肉细胞的超微结构发生了改变，施用IAA后这种改变得到了部分恢复。外源IAA改善了盐胁迫对草莓幼苗生长的不利影响，主要归因于加速了Na⁺流速，降低了Na⁺含量，维持了离子稳态，保护了根系生长，促进了营养物质的吸收，从而提高了草莓的光合效率。

 

离子/分子流实验处理

6日龄草莓幼苗100 mM NaCl、100 μM NaCl+0.57 mM IAA、0.57 mM IAA处理3 d或6 d。

 

离子/分子流实验结果

不同处理下，Na⁺流速和Na⁺含量的变化趋势相同。处理6 d后，与对照相比，NaCl和NaCl+IAA均增加了根（图1D）和叶片（图1C）的Na⁺流速，但与NaCl+IAA处理相比，根系Na⁺流速对NaCl的响应更高。在叶片中，结果相反。NaCl处理下Na⁺流速增幅较大，叶片与根系相比增加了5.5倍，NaCl+IAA处理下叶片比根系增加11倍。

不同处理下K⁺流速与K⁺含量的变化趋势相同，NaCl处理下，叶片和根系K⁺流速均高于其他3个处理。

 

图1. 高盐条件下，第3天添加生长素可促进草莓根系Na⁺外排，第6天添加生长素可促进草莓叶片Na⁺外排。高盐度条件下草莓根系K⁺流速在第6天被生长素的添加所抑制。（A）（E）第3天草莓叶片Na⁺流速（A）和K⁺流速（E），（B）（F）第3天草莓根系Na⁺流速（B）和K⁺流速（F），（C）（G）第6天草莓叶片Na⁺流速（C）和K⁺流速（G），（D）（H）第6天草莓根系Na⁺流速（D）和K⁺流速（H）经NaCl（100 mM ）、IAA（0.57 mM ）及其组合处理。正值代表Na⁺、K⁺外排。

 

其它实验结果

• 外源IAA显著增强了NaCl处理下草莓幼苗的生长。

• 外源IAA使根系活力提高，部分恢复了根系活力。

• NaCl处理3 d和6 d后电导率均有所增加，单独施用IAA可显著降低盐处理6 d后的电导率。

• 盐胁迫下Na⁺含量增加。

• NaCl处理的NDFF降低，单独外源施加IAA和NaCl+IAA组合处理后幼苗根和叶中NDFF升高。

• NaCl处理6 d后，叶片和根系N含量显著低于对照，但与单独施用NaCl相比，NaCl处理下外源施用IAA提高了叶片和根系N含量。

• NaCl处理6 d后，可溶性糖含量高于NaCl处理对照。在NaCl和IAA处理的组合下略有降低。

• 在草莓根尖的横截面上，NaCl处理后细胞形状不规则，细胞体积不均匀。在没有盐处理的情况下，IAA处理增加了细胞数量而不改变细胞体积。IAA+NaCl的组合并没有改变细胞形状。

 

结论

      盐度降低光合效率抑制草莓幼苗生长，其原因是Na⁺毒性和氧化应激增加了叶片损伤。研究表明，盐胁迫条件下草莓幼苗根尖和叶肉细胞的超微结构发生了改变，施用IAA后这种改变得到了部分恢复。外源IAA改善了盐胁迫对草莓幼苗生长的不利影响，主要归因于加速了Na⁺流速，降低了Na⁺含量，维持了离子稳态，保护了根系生长，促进了营养物质的吸收，从而提高了草莓的光合效率。

 

测试液

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

 

仪器采购信息

 

• 据中关村NMT产业联盟了解，山东农业大学于2013年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.04.008

 

关键词：盐分；生长素；草莓；钠离子；营养积累

 

 

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

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感谢本文一作，南京信息工程大学袁和忠副教授校稿

 

 

基本信息

主题：NMT发现菹草根际吸O₂促P固定以去除富营养水体中的P

期刊：Journal of Environmental Sciences

影响因子：4.302

研究使用平台：NMT水生植物创新平台

标题：Phosphorus removal from sediments by Potamogeton crispus: New high-resolution in-situ evidence for rhizosphere assimilation and oxidization-induced retention

作者：袁和忠（南京信息工程大学），尹洪斌（中国科学院南京地理与湖泊研究所）
 

 

检测离子/分子指标

O₂、H⁺

 

检测样品

菹草根成熟区（距根尖顶端2 mm 根表上的点）

 

中文摘要

       在富营养化的水生生态系统中，通常选择沉水植物作为植物修复工具来去除P，但试验方法的缺乏阻碍了对去除机理和应用的认识。本研究采用薄膜扩散梯度技术（Diffusive gradients in thin films, DGT）、平面光极技术（Planar optode, PO）和非损伤微测技术（Non-invasive micro-test technology, NMT）相结合的新技术，探索菹草在水-沉积物连续体和其根际随时间的动态变化。高分辨率原位测量结果表明，经过30 d的培养期，表层沉积物的活性磷（LP_DGT）通量从约120、140、200 pg /(cm²·sec)显著下降到17、40、56 pg /(cm²·sec)。上覆水中LP_DGT没有明显的同步升高，说明随着时间的推移，根系部位对溶解态活性P的同化强烈。PO测定表明，随着根系向下伸展，根际周围O₂浓度显著增加，径向向深层沉积物扩散直至100%饱和。根的NMT检测结果表明，在不同处理条件下，O₂通过通气组织从周围环境中流入根组织，最高流速为30 pmol /(cm²·sec)。与以往报道不同的是，根际周围逐渐饱和的O₂浓度主要是由O₂通过间隙渗透驱动，主要由根系向下伸展引起的，而非根系O₂外排渗漏。随着时间的推移，深层沉积物中O₂浓度增加，最终导致活性Fe(Ⅱ)氧化成Fe(Ⅲ)，结合P导致局部P固定。

 

离子/分子流实验处理

0 mg/L（control, M0)、0.01 mg/L(M1)、0.1 mg/L(M2)、0.5 mg/L(M3)磷酸盐培养24 h

 

离子/分子流实验结果

       同时测定不同磷酸盐浓度培养基处理后菹草根际附近的净O₂和H⁺流速，结果如图1所示。在所有培养条件下，根表面成熟区均有显著的O₂吸收。在含磷培养基中培养的根系附近，持续稳定的O₂同化流速为-24.1~-19.3 pmol/(cm²·sec)，高于超纯水的平均净O₂流速(-27.5 pmol/(cm²·sec))。在根表面成熟区测得H⁺的内流和外排。但对于大多数样品来说，平均H⁺流速<0 pmol/(cm²·sec)。

 

图1. 不同磷酸盐浓度培养24 h后菹草根成熟区表面O₂(c)和H⁺(d)外排和吸收速率。WP是指在去离子水中培养，M1-3分别是在低、中、高磷酸盐浓度的培养液中孵育。正值表示O₂和H⁺外排，负值表示O₂和H⁺吸收。

 

其它实验结果

• 所有的微宇宙培养系统环境中Fe、总磷（TP）和溶解性活性磷（SRP）的浓度随着时间的推移而下降。

• 在高P培养基中培养的植物比低P培养基中培养的植物SOD、POD、ATP和叶绿素浓度更高。

• LP_DGT通量表现出先上升后下降的趋势，在所有条件下，LP_DGT通量均低于15 d处理。

• 培养后水-沉积物界面下约2.5 cm处LP_DGT浓度显著升高，30 d后间隙水SRP下降>75%。

• 在低和高P处理中，沉积物中O₂的浓度和穿透深度随时间的推移而急剧增加，根系周围O₂热点扩大。根系逐渐生长并向下蔓延到沉积物的深层，O₂的饱和度随着时间的推移而增加，在根系的上部（特别是在基底位置），O₂的饱和度高达100%。而根尖区的O₂饱和度下降到<10%。

• 检测不同处理后菹草中的P组分后发现，Pi和Po的浓度占TP的比例大致相等（约50%）。在低P培养基中培养15 d和30 d的植物，Pi、Po和TP的值都高于高P培养基。然而，30 d后（与15 d相比），菹草中的P的质量更高。

• 表层沉积物（5 cm深）中不同P库的浓度一般按照NaHCO₃-P>Fe/Al-P>Ca-P>H₂O-P的顺序下降。

 

结论

微宇宙培养实验结合高分辨率原位DGT、PO和NMT技术，实现了对沉水植物菹草根际微环境的高时空分辨率成像和测量。培养30 d后，LP_DGT值先升高后降低。PO测定表明，根际O₂增加，径向扩散进入更深的沉积物层。根系表面的NMT测量表明，O₂通过通气组织从周围区域进入根系进行代谢和生长供给。根际间隙水中O₂浓度的增加（最高可达100%）主要是由根系O₂向下伸展渗透引起的，而非O₂外排（ROL）驱动的。活性Fe(II)向Fe(III)的强氧化对活性P在沉积物中的固持起着至关重要的作用。由于根际O₂浓度的增加，根系同化和P固定导致沉积物中活性P浓度降低。本研究结果表明，菹草等沉水植物能有效地去除和固定富营养化水生生态系统中的P。

 

测试液

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

 

仪器采购信息

 

• 据中关村NMT产业联盟了解，中国科学院南京地理与湖泊研究所于2019年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jes.2021.04.010

 

关键词：除磷；菹草；薄膜扩散梯度技术（DGT）；平面光极技术（PO）；非损伤微测技术（NMT）；根际

 

 

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主题：NMT发现H₂S可提升CH₄抑制紫花苜蓿吸Cd效果

期刊：Environmental Pollution

影响因子：6.792

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：Methane control of cadmium tolerance in alfalfa roots requires hydrogen sulfide

作者：南京农业大学沈文飚、Xinghao Yang

 

检测离子/分子指标

Cd²⁺

 

检测样品

紫花苜蓿根伸长区（距根尖顶端500 μm根表上的点）

 

中文摘要（谷歌机翻）

       硫化氢（H₂S）是响应重金属胁迫的气态信号，而最普遍的温室气体甲烷（CH₄）则赋予镉（Cd）耐受性。本研究评估了CH₄和H₂S调控紫花苜蓿（Medicago sativa）Cd耐受性的因果关系。本研究结果表明，CH₄的加入不仅加剧了H₂S代谢，而且减缓了Cd对紫花苜蓿幼苗生长的抑制作用，这与缓解根系组织氧化还原失衡和细胞死亡的作用是并行的。在去除内源H₂S后，无论是在亚牛磺酸（HT；H₂S清除剂）还是DL炔丙基甘氨酸（PAG；H₂S生物合成抑制剂）存在下，根中都没有观察到上述结果。利用原位非损伤微测技术（NMT）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）证实了H₂S参与CH₄抑制Cd在根部的内流和积累，这可以通过重新建立谷胱甘肽（GSH）库（还原型/氧化型GSH和同型谷胱甘肽）稳态和促进抗氧化防御来解释。总的来说，本文的研究结果清楚地揭示了H₂S在CH₄下游起作用，增强了对Cd胁迫的耐受性，这对基础和应用植物生物学都有重要意义。

 

离子/分子流实验处理

4日龄紫花苜蓿分别在1.30 mM CH₄、100 mM NaHS、1 mM HT和2 mM PAG中处理6 h，然后100 mM CdCl₂ 处理72 h。

 

离子/分子流实验结果
       进一步利用NMT监测根尖Cd²⁺流速。当幼苗暴露在未经Cd处理的Cd测试液中时，Cd在根尖的内流速率先增大，随后减小到一定水平并保持相对稳定（图1D, E）。当幼苗的根尖在Cd测试液中预平衡30 min后，可以清楚地观察到10 min内的稳定Cd²⁺内流速率（图1F, G）。相比之下，无论在有无Cd测试液预平衡的实验中，CH₄和H₂S都能明显降低Cd的内流速率，然后在加入HT和PAG后Cd²⁺速率被逆转（图1D-H）。同时，在只用HT或PAG处理的样品中，观察到Cd²⁺吸收加剧。上述结果清楚地说明了内源性H₂S在CH₄减少Cd积累和Cd吸收中的重要作用。

图1. H₂S是CH₄减少Cd积累和抑制的必要条件。负值代表Cd²⁺吸收。

 

其它实验结果

• CH₄减轻Cd胁迫下根尖细胞死亡可能与H₂S有关。

• LCD依赖的H₂S合成有利于CH₄抵御Cd胁迫。

• 内源H₂S在CH₄缓解Cd积累中起作用。

• 谷胱甘肽库在CH₄响应中的作用依赖于H₂S。

• 重建CH₄氧化还原稳态需要内源H₂S。

 

结论

       本研究结果表明，在植物对Cd胁迫的耐受性上，H₂S在CH₄的下游起作用，包括从表型上减弱Cd诱导的生长抑制，缓解氧化还原失衡和细胞死亡，特别是抑制Cd在紫花苜蓿幼苗根部的内流和积累。总之，本研究的发现将为了解CH₄如何介导植物对重金属的耐受性和内源H₂S的生理功能开辟了新的途径。

 

测试液

0.1 mM CdCl₂, 0.1 mM KCl, 0.3 mM MES, pH 5.8

 

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，南京农业大学于2018年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.117123

 

关键词：镉胁迫；谷胱甘肽稳态；硫化氢；甲烷；紫花苜蓿