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Plant Soil西南大学：NMT发现镁通过调节IAA极性运输促根冠微区碱化缓解杨树铝毒

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

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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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基本信息

主题：NMT发现镁通过调节IAA极性运输促根冠微区碱化缓解杨树铝毒

期刊：Plant and Soil

影响因子：3.299

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：Magnesium alleviates aluminum toxicity by promoting polar auxin transport and distribution and root alkalization in the root apex in populus

作者：西南大学李楠楠、张圳

 

检测离子/分子指标

H+(pH)，IAA

 

检测样品

杨树根
IAA：根尖（根冠至300 μm处）

H+(pH)：距根尖0、300、600、900、1200、1500、1800 μm根表上的点

 

 

中文摘要（谷歌机翻）

       杨树能耐受高浓度Al胁迫。然而，Mg减轻Al毒作用的机制尚不清楚在白杨树上仍然是未知的。

在本研究中，提供足够的Mg高浓度Al对杨树的毒害作用胁迫、根表pH梯度、Mg和Al通过电生理分析、荧光染色等方法检测根尖的摄取量，生长素分布与转运动力学在根尖也检测到了。

       在本研究中，我们发现适当的Mg供应可以减轻高浓度Al对杨树根系生长的毒害。Mg促进了杨树根表pH梯度的升高，导致根系过渡带发生碱化，防止了Al对根系伸长的毒害作用。用DR5:GFP报告子测定了生长素在杨树根尖的分布。Al毒害抑制了极性生长素在根过渡区的运输和分布，但Mg的供应则部分缓解了这种作用。用非损伤微测技术（NMT）对生长素转运蛋白突变体pin-format-2（pin2）进行进一步的检测，结果表明Mg通过PIN2基生长素极性转运，调节过渡区根表碱化，减轻Al毒。mrs2突变体的转录组分析和酵母互补实验也揭示了Mg、生长素和Al之间的相同关系。

       目前的研究表明，Mg促进生长素的极性运输和分布导致根表面pH值调节升高，以及进一步减轻Al毒性。我们的部分结果阐明Mg的解毒作用机理木本植物中高浓度的Al。

 

 

离子/分子流实验处理方法

3-4周龄杨树苗放到0.5 mM CaCl2溶液中（pH 4.0）进行酸适应3 h，然后在4种不同处理下（对照、+Mg (1.5 mM)/+Al (500 μM)、-Mg/-Al、-Mg/+Al）处理2 d。

 

 

离子/分子流实验结果

       使用NMT技术检测了根尖的IAA流速，结果表明，在+Al/-Mg条件下，根尖处的IAA 流速显著低于+Al/+Mg条件下的流速（图1）。

 

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图1.杨树根尖IAA流速变化

 

       通过NMT技术测量杨树根轴上的表面pH值，杨树过渡区由传感器指示（图2A）。在缓冲溶液适应条件下，杨树根系表面在+Mg/-Al条件下的pH值高于在-Mg/-Al条件下在过渡区附近的pH值（图2B）。Al暴露3 h后，+Mg和-Mg植株沿根轴的根表面pH值存在差异（图2C）。Al胁迫3 h后，pH峰值出现在300 μm左右。在根轴上，+Mg植物根表面pH值逐渐恢复到Al暴露前的状态。然而，-Mg植物的这种能力被削弱了。Al胁迫24 h后，+Mg植株根表pH值恢复到Al处理之前的状态。-Mg植株过渡带根表pH值低于+Mg植株。此外，在-Mg条件下，沿根轴的根表面pH值不会恢复到-Al条件下观察到的水平（图2D)。

 

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图2. Mg缺乏和Al毒害引起根轴pH分布的变化抑制了杨树根分生区表面的碱化

 

 

其它实验结果

  • Mg的供给对杨树抗Al胁迫有缓解作用。

  • 在缺Mg条件下的植物根部有更多的Al积累。另外，在没有Al处理的情况下，在缺Mg和充足Mg条件下，Mg的累积几乎没有差异。然而，在Al处理下，有足够Mg的植物根中的Mg积累明显高于缺Mg植物。同时，在Mg供应充足的培养基中，与-Al处理相比，Al胁迫下根系中Mg的累积量较少。

  • Al3+主要分布在根尖中，Mg的存在阻止了Al在植物根系中的积累。

  • 转录组测序结果表明大多数与细胞壁修饰相关的基因存在差异表达。

  • 检测了两个主要柠檬酸输出基因PtrMATE1和PtrMATE2在杨树中的表达水平。Al胁迫下，杨树根尖PtrMATE1表达上调。PtrMATE2在缺Mg条件下下调，Al胁迫下下调更明显。

  • 镁转运蛋白基因PtrMGT1在Mg缺乏和Al胁迫下下调，只有在Mg供应充足和Al胁迫的情况下，PtrMGT2才显著上调。

  • Mg改善了植物生长素的极性转运和过渡区植物生长素的分布。

  • Mg促进生长素极性运输和Al胁迫下根系过渡带表面碱化的结果在拟南芥中得到证实。

  • Mg转运蛋白基因的表达在一定的Mg浓度范围内能在一定程度上减轻Al对植物的生长抑制。

 

 

结论

       本研究表明，Mg促进生长素在根尖的极性运输和分布，并通过调节质膜H+-ATPase的活性来改变H+流速，从而导致根表碱性化。过渡区pH值的增加减轻了Al的毒性。这些结果为外源Mg减轻植物根尖Al毒作用提供了新的解释。

 

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, 0.3 mM MES, pH 4.0

 

 

文章原文：https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-020-04459-7

 

 

关键词：Mg；Al耐受性；H+-ATPase；生长素流速；杨树

 

 

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