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J Exp Bot南土所:NMT发现GSNOR通过调控K+稳态增强植物对铵毒的耐受性

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[成果与文献分享]

J Exp Bot南土所:NMT发现GSNOR通过调控K+稳态增强植物对铵毒的耐受性

 楼主| xuyue_2017 发表于 2021-5-19 13:50  
查看: 9351|回复: 0|


基本信息
主题:NMT发现GSNOR通过调控K+稳态增强植物对铵毒的耐受性
期刊:Journal of Experimental Botany
影响因子:5.908
研究使用平台:NMT植物营养创新平台
标题:Induction of S-nitrosoglutathionereductase protects root growth from ammonium toxicity by regulating potassiumhomeostasis in Arabidopsis and rice
作者:中科院南京土壤研究所李光杰、张琳、宋海燕
检测离子/分子指标
K+
检测样品
拟南芥根成熟区(距根尖~2500 μm根表上的点)
中文摘要
铵(NH4+)对大多数植物的根系生长来说,在中等浓度水平下已经产生毒害作用,但根系对NH4+的耐受机制依然不甚清楚。本文报道了较高浓度的NH4+通过SNO1(sensitive to nitric oxide 1)/SOS4(salt overly sensitive 4)基因途径抑制K+的吸收,诱导NO的积累,从而抑制主根生长。NH4+也促进了根系GSNOR(S-亚硝基谷胱甘肽还原酶)的积累。过表达GSNOR提高了根系对NH4+的耐受性,而GSNOR的缺失会进一步诱导NO的积累,提高了SNO1/SOS4活性,从而降低了根系组织中K+含量,增强了根系对NH4+的生长敏感性。此外,GSNOR同源基因OsGSNOR在水稻铵耐性中同样发挥相似作用。免疫印迹结果表明,铵诱导的GSNOR蛋白增加有赖于VTC1(Vitamin C1)的功能,在vtc1-1突变体中,铵对GSNOR蛋白的诱导效应完全丧失,导致根系过量的NO积累及严重的钾离子稳态失衡,对NH4+毒性具有超敏性。在vtc1-1突变体中强化GSNOR基因,可以部分恢复vtc1-1突变体的铵耐性。本研究表明,GSNOR依赖于VTC1,通过抑制NO介导的组织K+的抑制来增加根系对NH4+的耐受性。
离子/分子流实验处理
7日龄拟南芥,在0、10 mM NH4+的生长培养基中培养24 h。
离子/分子流实验结果
为了评估NO在高NH4+条件下对根部K+积累的作用,研究用NMT检测了根部表皮细胞的净K+流速。NH4+处理减少了Col-0和nox1(NO-overproductingmutant)的净K+内流;然而,在对照和NH4+处理下,nox1的K+内流都明显低于Col-0(图1),与K+含量分析一致。NO与K+含量呈负相关,表明NO参与了NH4+抑制的拟南芥K+吸收过程。与Col-0对照组相比,NH4+处理下,sno1/sos4突变体K+内流速率同样明显降低(图1)。
      
图1. Col-0、nox1sno1/sos4根系成熟区的净K+流速。
图2. 拟南芥根成熟区K+检测图

其他实验结果

  • NO至少部分通过增强SNO1/SOS4活性来促进NH4+抑制拟南芥K+吸收。
  • nox1sno1/sos4中的K+吸收量较低不是由于NH4+吸收量较高所导致的。
  • NH4+介导的NO增加和主根长的减少既不依赖于NOA1(Nitric Oxide-associated protein 1),也不依赖于NR(nitrate reductase)和NOS(NO synthase)。
  • NH4+可以增强GSNOR蛋白的积累。
  • GSNOR负调控NO水平,利于根系的K+稳态和NH4+耐受性。
  • VTC1参与调控GSNOR蛋白积累,但对其响应NH4+的基因转录没有太大影响。
  • NH4+在蛋白水平上调节VTC1的积累。
  • GSNOR在VTC1下游发挥作用,调节NO和根系对NH4+的响应。
  • OsGSNOR有助于调节水稻根系的K+平衡和对NH4+的耐受性。


结论

综上,研究对GSNOR积累在植物NH4+耐受性中的作用提出了一个模型(图3):在较高浓度外源NH4+供应下,NH4+通过“竞争”机制从K+通道进入组织(部分通过其他通道进入组织)。NH4+诱导的NO积累不是通过传统的NR途径发生的。根部的NO水平和SNO1/SOS4明显增加,并参与抑制了NH4+条件下K+吸收和主根生长。同时,NH4+诱导的GSNOR起到补偿作用,部分拮抗铵条件下NO的过度积累,保护根系在NH4+条件下的生长。虽然,NH4+诱导GSNOR的确切机制仍有待解决;然而,在NH4+下与VTC1相关的GSNOR蛋白调节可能是信号转导途径的一个组成部分。本研究的结果为VTC1和GSNOR如何相互作用以调节NH4+耐受性提供了新见解。在水稻中也发现GSNOR调节的NH4+耐受性,水稻是生长在以NH4+为主要氮形态的土壤中,深入研究植物体内NH4+与NO信号通路相互作用的机制,将有助于更全面地了解植物如何对不同程度的NH4+胁迫做出响应,并有助于制定提高作物NH4+耐受性的策略。

图3. GSNOR在植物NH4+耐受性中的作用模型。


测试液
1 mM K+, 10 mM NH4+

仪器采购信息
·      据中关村NMT产业联盟了解,中国科学院南京土壤研究所于2017年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。
关键词:铵胁迫;一氧化氮;钾;根系生长;S-亚硝基谷胱甘肽还原酶(GSNOR);维生素C1(VTC1)

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