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Sci Adv福建农林应用NMT发现低浓度ABA促进质子分泌是根系响应水分胁迫和向水性的关键机制

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

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植物根表跨膜质子流测样服务

 

NMT作为生命科学底层核心技术，是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年，NMT已扎根中国15年。2020年，中国NMT销往瑞士苏黎世大学，正式打开欧洲市场。

 

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感谢本文一作，福建农林大学苗锐博士校稿

 

 

基本信息

主题：福建农林应用NMT发现低浓度ABA促进质子分泌是根系响应水分胁迫和向水性的关键机制

期刊：Science Advances

影响因子：13.116

研究使用平台：NMT植物激素创新平台

标题：Low ABA concentration promotes root growth and hydrotropism through relief of ABA INSENSITIVE 1-mediated inhibition of plasma membrane H+-ATPase 2

作者：福建农林大学苗锐、许卫锋等

 

检测离子/分子指标

H+

 

检测样品

拟南芥及其突变体主根伸长区、侧根

 

中文摘要（谷歌机翻）

        与野生型相比，缺乏ABA信号转导关键负调控因子的hab1-1abi1-2abi2-2pp2ca-1四突变体（Qabi2-2）幼苗，即A族蛋白磷酸酶2C型（PP2Cs），在正常培养基或水分胁迫培养基下，根部表现出更多非原质体H+外排，并显示出根部生长增强的状态。低浓度（0.1 μM）的ABA通过单ABA受体抑制PP2C活性，促进野生型根系非原质体H+外排和生长，与正常培养基中的Qabi2-2表型相似。与野生型相比，Qabi2-2幼苗在倾斜向水实验系统（obliquelyoriented hydrotropic experimental system）中也表现出更强的向水性，根伸长区的不对称H+外排对根系向水性至关重要。此外，研究还发现拟南芥ABA-insensitive1是ABA信号的关键PP2C，它直接与拟南芥质膜H+依赖的腺苷三磷酸酶2（AHA2）的C末端相互作用，使其倒数第二个苏氨酸残基（Thr947）去磷酸化，其去磷酸化作用负调控AHA2。

 

离子/分子流实验处理

1. Col-0 WT、Col-0（0.1 μM ABA）、Col-0（10 μM ABA）和Qabi2-2突变体在正常培养基下生长10 d。

2. Col-0 WT和Qabi2-2突变体在正常培养基、水分胁迫培养基或倾斜向水实验系统中生长10 d。

 

离子/分子流实验结果

        为了解释为什么Qabi2-2植株表现出增强的主根生长和向水响应，研究使用非损伤微测技术（NMT）测定了WT和Qabi2-2幼苗在正常培养基、水分胁迫培养基和倾斜向水实验系统下主根伸长区的非原质体H+外排情况。在正常培养基中，萌发后10天（10 dag） Qabi2-2幼苗的主根伸长区H+外排显著高于WT（图1A）。与之相反，在添加0.1 μM ABA的培养基中，Qabi2-2幼苗的H+外排水平与WT相似，而10 μM ABA强烈抑制了WT的H+外排（图1A）。WT和Qabi2-2幼苗在水分胁迫和倾斜向水实验系统中表现出显著高于正常培养基的主根H+外排，表明水分胁迫促进了主根非原质体H+外排（图1B, C）。

 

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图1. Col-0WT和Qabi2-2幼苗根系H+外排。（A）Col-0 WT、Col-0（0.1 μM ABA）、Col-0（10 μM ABA）和Qabi2-2突变体在正常培养条件下的主根伸长区（EZ）H+外排。在正常培养基、水分胁迫培养基（B）或倾斜向水实验系统（C）中Col-0 WT和Qabi2-2突变体主根伸长区的H+外排。

 

然而，10 dag Qabi2-2幼苗侧根的非原质体H+外排速率与WT无显著差异（图2）。这表明Qabi2-2对拟南芥主根伸长和侧根发育有不同的机制。

 

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图2. 在正常培养基下，Col-0 WT和Qabi2-2突变体侧根根尖H+外排。

 

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图３.　植物根部检测图

 

 

其它实验结果

  • 为了确定所设计的水分胁迫培养基（1/2Hoagland培养基+0.3%甘油+0.06%海藻酸）是否是研究拟南芥根系响应水分胁迫的可靠体系，本研究对一组ABA相关突变体进行了分析，发现功能缺失突变体aba1-1和112458与WT Col-0相比根部明显变短，而Qabi2-2在水分胁迫培养基下与WT相比，根部明显变长，说明该培养基足以研究拟南芥在水分胁迫下的根系生长。

  • 以拟南芥WT Col-0根尖为材料进行RNA测序，数据显示，与ABA相关的DEGs占激素响应DEGs的35%以上。

  • 在正常培养基中，施加低浓度ABA（0.1 μM）能增强WT的主根伸长，而3和10 μM ABA对主根生长有负面影响。在水分胁迫条件下，0.1和3 μM的ABA均显著促进WT的根系生长，因此，ABA对根系生长的影响取决于其浓度和培养基的水势。

  • 与WT相比，Qabi2-2幼苗在正常培养基和水分胁迫培养基中表现出主根生长增强。Qabi2-2幼苗在正常培养基中的根生长与WT在低ABA浓度（0.1 μM）下的根生长相似。在水胁迫培养基中，Qabi2-2幼苗的主根长度也明显长于Col-0，与Col-0在施加0.1和3 μM ABA水分胁迫培养基下的主根生长相似。

  • Qabi2-2幼苗在倾斜向水实验系统中表现出最敏感的向水性响应，显示出最大的根弯曲角度，而WT、abi1-3和hab1-1abi1-2abi2-2突变体之间的根弯曲角度没有发现显著差异，表明这些基因可能以剂量依赖的方式重复工作。在没有或低ABA浓度（0.1 μM）的情况下，Qabi2-2幼苗的根生长曲率与Col-0 WT相比，在8或16 h内没有表现出任何明显的差异。

  • Qabi2-2幼苗根细胞分离出的PM囊泡比Col-0 WT表现出更高的H+转运活性。

  • 20 μM钒酸盐（VA）处理会导致WT Col-0和Qabi2-2根PM分离的AHA活性明显抑制。

  • 弯曲根表面根曲率在早期是由不对称H+外排所致，在后期H+外排促进了弯曲根凹面和凸面的伸长。

  • ABI1直接与AHA2互作。

  • ABI1与AHA2的C端结构域结合，使Thr947去磷酸化。

  • A族PP2Cs负调控AHA活性。

 

结论

        本研究发现拟南芥PP2Cs家族中的ABI1可与AHA2的C端相互作用，ABI1使AHA2的C端的Thr947去磷酸化，导致H+外排减少，主根生长减缓，根系向水性减弱。相反，BRI1可能是AHA活性的正调控因子，因为有研究称BRI1可能与AHA2和AHA7结合，而bri1-5功能缺失突变体表现为主根生长减缓，向水性减弱，质外体H+外排减少。综合来看，研究认为PM H+外排对拟南芥主根的生长和根部向水性响应至关重要，它受几种植物激素的调控。生长素诱导的生长表现为细胞壁酸化，导致细胞膨胀和细胞伸长。生长素诱导的生长素上调小RNA蛋白抑制PP2Cs的PP2CD亚族，负调控PM AHA活性，因此生长素通过促进Thr947磷酸化而刺激PM AHA活性。研究发现参与ABA信号转导的A族PP2C的ABI1也能使PM AHA的Thr947去磷酸化。此外，由生长素或低ABA浓度维持在磷酸化状态下的PM AHA的激活可以被高ABA浓度所逆转。

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, 0.3 mM MES, pH 5.8

 

仪器采购信息

  • 据中关村NMT产业联盟了解，福建农林大学于2015年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

文章原文：https://advances.sciencemag.org/content/7/12/eabd4113

 

关键词：ABA；根系向水性；质子分泌；不对称性；水分胁迫

 

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