PP浙大金崇伟：硝酸盐转运蛋白调节K+吸收和分配促植物在低K+胁迫下生长

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

微信图文链接

基本信息

主题：硝酸盐转运蛋白调节K⁺吸收和分配促植物在低K⁺胁迫下生长

期刊：Plant Physiology

影响因子：6.902

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：The K⁺ and NO₃^- interaction mediated by NITRATE TRANSPORTER 1.1 ensures better plant growth under K⁺-limiting conditions

作者：金崇伟（浙江大学）、刘星星（浙江大学）、Xian Zhi Fang（浙江大学、浙江农林大学）

 

检测离子/分子指标

K⁺、NO₃^-

 

检测样品

拟南芥根分生区、伸长区和成熟区

 

中文摘要

       K⁺和NO₃^- 是大多数陆生植物根部吸收的钾和氮的主要形式。本研究发现拟南芥中K⁺和NO₃^-之间的密切关系是由NITRATE TRANSPORTER 1.1（NRT1.1）介导的。nrt1.1 敲除突变体表现出K⁺吸收和从根到地上部分分配的紊乱，并在K⁺不足的条件下表现出生长停止的特征。通过分别使用SULFATE TRANSPORTER 1;2 和PHOSPHATE1 启动子在根表皮-皮层和中央维管中表达NRT1.1，这些突变体的K⁺ 吸收和根到地上部分的分配得到部分恢复。基于nrt1.1-1/K⁺ transporter 1, nrt1.1-1/high-affinityK⁺ transporter 5-3, nrt1.1-1/K⁺ uptake permease 7 和nrt1.1-1/stelar K⁺ outward rectifier-2 双突变体及相应的单突变体和野生型植物中K⁺含量的双因素方差分析，揭示了NRT1.1 与位于根表皮-皮层和中央维管中的K⁺通道/转运蛋白之间的生理上的相互作用。进一步的研究显示，这些K⁺吸收相关的相互作用依赖于由NRT1.1介导的与H⁺/NO₃^-同向运输相关的H⁺消耗机制。总之，本文的研究结果表明，根表皮-皮层和中央维管中的NRT1.1表达模式与K⁺通道/转运体相协调，分别促进K⁺吸收和从根到地上部分的分配，进而确保植物在K⁺不足条件下更好地生长。

 

离子/分子流实验处理

4日龄拟南芥幼苗在6 mM NO₃^-+2.0 mM K⁺或6 mM NO₃^-+0.05 mM K⁺培养基中培养3 d。

 

离子/分子流实验结果

研究发现在低K⁺培养基上预培养的植物与在K⁺充足的培养基上预培养的植物相比，三个根区的NO₃^-净内流速率均更高（图1）。

 

 

图1. 拟南芥根分生区、伸长区和成熟区的NO₃^-吸收速率平均值。负值代表NO₃^-吸收。

 

       为了了解NRT1.1在根系K⁺吸收中的作用，研究使用NMT系统检测了植物根系的K⁺流速，发现在2.0和0.05 mM K⁺培养基中，nrt1.1-1和chl1-5突变体根系伸长区和成熟区的K⁺净内流速率均低于Col-0植株的50%。相比之下，植物根系分生区净K⁺内流速率没有显著差异（图2B, C）。结果表明伸长区和成熟区是NRT1.1与根细胞K⁺吸收相关的靶区域。

 

 图2. 拟南芥根部K⁺吸收速率。负值代表K⁺吸收。

 

 图3. 拟南芥根成熟区K⁺吸收检测图

 

其它实验结果

• NRT1.1介导的对缺K⁺的耐受性可能是由NO₃^-吸收活性引起的，而不是NO₃^-感应功能导致的。

• NRT1.2、NRT2.1、NRT2.2、NRT2.4和NRT2.5在对低K⁺耐受性方面与NRT1.1的功能不同。

• 低K⁺胁迫会刺激NO₃^-的吸收活性，这可能是低K⁺胁迫导致NRT1.1上调所导致的。

• NRT1.1功能的缺失可能会干扰根对K⁺的吸收。

• NRT1.1只在低K⁺条件下在根到地上部分的K⁺分配中起明显作用。

• NRT1.1可促进K⁺吸收可能是因为其仅在表皮和皮层表达。

• NRT1.1在根的中央维管中的表达有助于K⁺从根到地上部分的分配。

• NRT1.1在促进K⁺的吸收和根到地上部分分配方面的作用，需要根表皮-皮层和中央维管中的K⁺通道/转运蛋白的协同作用。

• NRT1.1介导的K⁺营养改善与防止根际酸化有关。

 

结论

       本研究表明，NRT1.1的NO₃^-转运活性在植物的K⁺营养中起重要作用。具体来说，在根表皮-皮层中表达的NRT1.1通过与K⁺吸收通道/转运蛋白（如AKT1、HAK5和KUP7）协同作用来发挥功能，在NRT1.1介导的NO₃^-吸收过程中通过H⁺消耗机制促进根对培养基中K⁺的吸收。而当在根中央维管中表达时，NRT1.1与木质部K⁺装载通道/转运蛋白（SKOR和KUP7）相互作用来促进K⁺从根到地上部分的分配（图4）。尽管NRT1.1与K⁺转运蛋白/通道相互作用的分子机制尚不清楚，但本研究的发现使大家能够明确这些转运蛋白之间相互作用的生理相关性。目前，在中国的农业实践通常需要施用过量的氮肥和钾肥，这不仅降低了这些肥料的利用效率，还可能导致环境污染。本研究结果表明，通过设计切实可行的方法来提高不同作物NRT1.1同系物的活性，有可能同时提高氮肥和钾肥在农业生产中的利用效率。

 

 

图4. 拟南芥中NRT1.1响应低K⁺胁迫的示意图。

 

 

测试液

basal agar medium, 6 mM NO₃^-, 2.0 mM K⁺, pH 6.5

basal agar medium, 6 mM NO₃^-, 0.05 mM K⁺, pH 6.5

 

仪器采购信息

• 据中关村NMT产业联盟了解，浙江地区的中国林业科学研究院亚热带林业研究所于2014年采购了旭月公司的非损伤微测系统。

• 据中关村NMT产业联盟了解，浙江地区的中国农业科学院茶叶研究所于2015年采购了旭月公司的非损伤微测系统。

• 据中关村NMT产业联盟了解，浙江地区的中国水稻研究所于2016年采购了旭月公司的非损伤微测系统。

 

 

原文链接：https://doi.org/10.1104/pp.20.01229

 

 

关键词：低钾胁迫；NRT1.1；氮肥；钾肥；K⁺分配；协同作用