New Phytol陈少良：盐胁迫下哈蒂氏网在外生菌根对植物硝酸盐吸收改善中的作用

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

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基本信息

主题：盐胁迫下哈蒂氏网在外生菌根对植物硝酸盐吸收改善中的作用

期刊：New phytologist

影响因子：8.512

研究使用平台：NMT植物-微生物互作创新科研平台

标题：Amelioration of nitrate uptake under salt stress by ectomycorrhiza with and without a Hartig net

作者：北京林业大学陈少良、撒刚、邓晨

 

检测离子/分子指标

NO₃^-，H⁺

 

检测样品

银灰杨根

 

 

中文摘要

        盐胁迫是阻碍杨树吸收氮素营养的重要环境因子。本文描述了盐度对外生菌根中质子驱动的硝酸盐流速的影响以及哈蒂氏网对硝酸盐吸收的重要性。研究采用两种卷边网褶菌（Paxillus involutus）菌株进行根部定殖：一种是MAJ，形成典型的外生菌根结构（地幔和哈蒂氏网），一种是NAU，定殖根具薄而疏松的菌丝鞘。将真菌定殖和非定殖的银灰杨（Populus canescens）用NaCl处理后，检测根表面pH、NO₃^-流速、硝酸盐转运蛋白（PcNRT1.1、1.2、2.1）和质膜H⁺-ATPase（PcHA4、8、11）的转录。不论是否存在哈蒂氏网，菌株定殖都能增强根系NO₃^-的吸收，降低表面pH值并刺激宿主植物的NRTs和HA4。在盐胁迫下，未定殖的根部表现出较强的净NO₃^-外排，而真菌定殖对根表面pH和H⁺-ATPase的有益作用避免了NO₃^-的损失。在所有条件下，抑制H⁺-ATPases可消除NO₃^-内流。研究发现，刺激H⁺-ATPase对于外植体对NO₃^-吸收的有利影响是至关重要的，而哈蒂氏网的存在对于NO₃^-转运的改善并不是必需的。菌根可能会通过保持NO₃^-营养来促进宿主植物适应盐害环境。

 

 

离子/分子流实验处理方法

将银灰杨的根分别在有无P. involutus菌株（MAJ和NAU）的情况下接种30 d，然后再用0或100 mM NaCl处理24 h（短期，ST）或7 d（长期，LT）。

 

 

离子/分子流实验结果

        由于¹⁵N跟踪确实揭示了运输的N化合物的身份，研究使用NMT技术来确定杨树在有无真菌定殖以及响应盐胁迫时的NO₃^-流速变化。NO₃^-的流速沿着根尖（100~2100 μm）在测试液中保持恒定（0.1 mM 低NO₃^-, 图2a）。NO₃^-流速的大小和方向明显受NaCl处理和真菌定殖的影响（图1a）。无菌根（non-mycorrhizal, NM）杨树的根尖表现出适度的NO₃^-吸收，而真菌定殖的根表现出7.4~11.8倍的吸收（图1a）。很显然，这种刺激不需要哈蒂氏网，因为与NM根相比，用MAJ或NAU定殖的根会使NO₃^-吸收增加（图1a）。此外，在盐胁迫下，真菌定殖的根保持了NO₃^-的净吸收，而NM根在短期和长期盐胁迫下显示出NO₃^-的净外排（图1a）。无论是对照还是盐处理，NAU和MAJ的纯菌株均表现出NO₃^-内流（图3）。

        NO₃^-的吸收需要H⁺的协同运输，因此取决于外部环境的pH值。随后研究检测了NM和真菌定殖的根表面的pH值。沿NM根的pH值是稳定的（图2b），平均值为5.41（图1b）。真菌定殖导致根表面酸性更高，pH值范围为5.05~5.12（图1b, 图2b）。长期的盐胁迫导致NM植物的pH值明显上升至约pH值5.8（P<0.001）。在真菌定殖的植物中，盐处理也引起pH升高，导致根表面的pH值约为5.4，类似于NM对照根的pH值（图1b, 图2b）。盐诱导植物根系pH值的增加是由于根表面H⁺外排速率下降（图S5）。无论对照条件如何，或短期或长期盐胁迫，NAU的表面pH值与MAJ定殖的根的表面pH值没有差别（图1b）。

 

图1. NaCl对有无菌株定殖的银灰杨根表面的NO₃^-流速和pH值的影响

 

图2. NaCl对有无菌根接种的杨树NO₃^-稳态流速和根表pH的影响

 

图3. NaCl对MAJ和NAU菌株NO₃^-稳态流速影响

 

      为了监测H⁺梯度对NO₃^-吸收的重要性，用原钒酸盐（orthovanadate, 质膜H⁺-ATPase抑制剂）抑制H⁺-ATPase。抑制剂显著提高了NM和真菌定殖根表面的pH值（图4b，图5b），表明H⁺泵被有效抑制。H⁺流速检测结果证实，在对照和盐胁迫下，原钒酸盐抑制剂使净H⁺外排转向内流（图6）。无论是否存在真菌定殖或盐胁迫，都会导致NO₃^-释放（图4a, 图5a）。

 

图4. 在有无菌根定殖和有无NaCl的情况下，原钒酸盐对银灰杨根表面NO₃^-流速和pH的影响

 

图5. 原钒酸盐对NaCl胁迫下有无菌根接种的杨树NO₃^-稳态流速和根表pH的影响

 

图6. 原钒酸盐对NaCl胁迫下有无菌根接种的杨树H⁺稳态流速的影响

 

 

其它实验结果

• 与NM杨树相比，MAJ或NAU定殖的杨树根和茎中¹⁵N的富集度更高。

• 真菌定殖和盐胁迫改变了杨树根系中低亲和力和高亲和力硝酸盐转运蛋白(NRTs)的转录水平。

• 长期盐胁迫下，NR和NiR的活性呈下降趋势。

• 尽管盐诱导的PcHA4转录水平有所下降，但在盐胁迫下，真菌定殖的PcHA4转录水平仍高于NM根系。

• 与NM相比，P. involutus定殖的根表现出更高的质膜超极化。

• MAJ定殖的根在距顶端500~900 μm处表现出更高的O₂吸收率。

 

结论

        本研究证明了外生菌根真菌P. involutus定殖的杨树根系对NO₃^-的净吸收增强，并且几种NRTs和HAs的表达增加。无哈蒂氏网的P. involutus菌株NAU引起NO₃^-净流速增加，NRT和HA转录水平增加，类似于用MAJ定殖形成典型的外菌根结构的根。

研究认为真菌对增强NO₃^-运输能力的有益影响被盐胁迫所否定。不过，由于真菌定殖的根表面酸度高于NM根的表面酸度，因此Paxillus菌株MAJ和NAU维持了盐胁迫下根NO₃^-的稳态。盐胁迫诱导NM根系NO₃^-外排受到菌根激活的H⁺-ATPases的抑制，明显地在质膜上形成了足以使NO₃^-保留的H⁺梯度。菌根真菌如何影响H⁺泵活性以及宿主PcNRT和PcHAs的转录调控，在未来需要继续研究。总体而言，本研究的结果为菌根共生体在养分吸收和胁迫改善方面的功能提供了新的见解。

 

 

离子流实验使用的测试液

0.1 mM KNO₃, 0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, pH 5.3

 

文章原文：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.15740

 

关键词：杨树，NaCl，卷边网褶菌，MAJ，NAU，NO₃^-流速，NRTS，pH