转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

 

 

 

 

基本信息

主题：NMT发现质子泵基因OSA1促水稻根排H⁺ 为OSA1促NH₄⁺吸收同化的机制提供证据

期刊：Nature Communications

影响因子：12.121

研究使用平台：NMT植物营养创新平台

标题：Plasma membrane H⁺-ATPase overexpression increases rice yield via simultaneous enhancement of nutrient uptake and photosynthesis

作者：张茂星（南农），王愔（北大），陈熙、许飞云（南农），木下俊则（通讯，名古屋大学），朱毅勇（通讯，南农）

 

检测离子/分子指标

^H+

 

检测样品

水稻根

 

中文摘要（谷歌机翻）

      氮（N）和碳（C）是植物生长和作物产量必不可少的元素。因此，提高N和C利用率有助于提高农业生产率，减少施肥需求。本研究发现过表达水稻单一基因H⁺-ATPase（OSA1）基因，促进了根系对铵的吸收和同化，增强了的气孔开放，提高叶片的光合速率。大田实验结果表明，OSA1过表达水稻产量显著增加，氮素利用率也大幅度提升；而OSA1功能敲除的水稻突变体株系表现出与过表达水稻相反的表型。转录组测序结果表明，过表达OSA1后显著提升了植株中与碳氮代谢相关的重要基因的转录水平。由于PM H⁺-ATPase在植物中高度保守，这些发现表明调节PM H⁺-ATPase可以协同提高N和C的利用率，可能会为粮食安全和可持续农业提供至关重要的工具。这一研究为农作物养分高效利用提供了理论基础，也为减少因过度施肥造成的环境污染问题及减缓温室效应提供了新的思路。

 

离子/分子流实验处理

7日龄水稻幼苗（WT和OSA1-ox）在2 mM NH₄⁺中处理12 h

 

离子/分子流实验结果

      研究使用非损伤微测技术（NMT）检测水稻根部H⁺跨膜转运速率变化，结果发现，在2 mM NH₄⁺处理12 h后，3个OSA1过表达株系H⁺外排速率均增加，且与WT存在显著性差异（P＜0.05）。

 

 

图1. WT和OSA1-oxs水稻的根系H⁺外排特性。正值代表H⁺外排。

 

      过表达OSA1提供了更多的质子驱动力促进根系对铵态氮的吸收。通过将铵同化产生的H⁺及时排出细胞膜外，促进了铵态氮的同化，并进一步保障了铵的吸收。另一方面，过表达OSA1增大了叶片气孔开度，促进了二氧化碳的吸收。叶片光合作用的提高可以为氮素代谢提供更多的碳源，而氮素代谢的促进又为叶片光合作用提供更多的氮源，进而促进水稻的生长。

 

图2. 过表达OSA1促进水稻铵态氮利用与光合作用的作用模式图。

 

其他实验结果

• 在水稻根系和/或气孔保卫细胞中过表达PM H⁺-ATPase可有效提高NH₄⁺的吸收。

• OSA1（PM H⁺-ATPase）是调节水稻生长的关键因子。

• OSA1修饰影响水稻叶片对CO₂的吸收和/或固定。

• 水稻PM H⁺-ATPase的过表达或突变对气孔形态或发育没有影响。

• OSA1-ox植株具有较高的光合能力。

• 叶片和根部分别检测到59个和82个基因，这些基因在OSA1-ox株系中上调，但在osa1-2突变体中下调。

• OSA1在调节植物体内离子和溶质运输方面具有潜在的作用。

• NH₄⁺应答基因的表达水平在OSA1-ox株系中的表达量均显著增加。

• 过表达OSA1可以提高水稻田间产量。

 

测试液

0.2 mM CaCl₂, 0.1 mM KCl, 0.1 mM NaNO₃, 0.5 mM MES, pH 5.7

 

NMT实验标准化方案

·植物营养研究NMT标准化方案

 

NMT仪器信息

据中关村NMT产业联盟了解，南京农业大学于2018年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统

 

 

 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-20964-4

 

关键词：水稻；质子泵；质子驱动力；铵营养；氮营养；光合；植物类

 

 

 

 

 

 

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

 

 感谢本文一作，南京信息工程大学袁和忠副教授校稿

 

 

基本信息

主题：NMT发现菹草根际吸O₂促P固定以去除富营养水体中的P

期刊：Journal of Environmental Sciences

影响因子：4.302

研究使用平台：NMT水生植物创新平台

标题：Phosphorus removal from sediments by Potamogeton crispus: New high-resolution in-situ evidence for rhizosphere assimilation and oxidization-induced retention

作者：袁和忠（南京信息工程大学），尹洪斌（中国科学院南京地理与湖泊研究所） 

 

检测离子/分子指标

^O₂、H+

 

检测样品

菹草根成熟区（距根尖顶端2 mm 根表上的点）

 

中文摘要

      在富营养化的水生生态系统中，通常选择沉水植物作为植物修复工具来去除P，但试验方法的缺乏阻碍了对去除机理和应用的认识。本研究采用薄膜扩散梯度技术（Diffusive gradients in thin films, DGT）、平面光极技术（Planar optode, PO）和非损伤微测技术（Non-invasive micro-test technology, NMT）相结合的新技术，探索菹草在水-沉积物连续体和其根际随时间的动态变化。高分辨率原位测量结果表明，经过30 d的培养期，表层沉积物的活性磷（LP_DGT）通量从约120、140、200 pg /(cm²·sec)显著下降到17、40、56 pg /(cm²·sec)。上覆水中LP_DGT没有明显的同步升高，说明随着时间的推移，根系部位对溶解态活性P的同化强烈。PO测定表明，随着根系向下伸展，根际周围O₂浓度显著增加，径向向深层沉积物扩散直至100%饱和。根的NMT检测结果表明，在不同处理条件下，O₂通过通气组织从周围环境中流入根组织，最高流速为30 pmol /(cm²·sec)。与以往报道不同的是，根际周围逐渐饱和的O₂浓度主要是由O₂通过间隙渗透驱动，主要由根系向下伸展引起的，而非根系O₂外排渗漏。随着时间的推移，深层沉积物中O₂浓度增加，最终导致活性Fe(Ⅱ)氧化成Fe(Ⅲ)，结合P导致局部P固定。

 

离子/分子流实验处理

0 mg/L（control, M0)、0.01 mg/L(M1)、0.1 mg/L(M2)、0.5 mg/L(M3)磷酸盐培养24 h

 

离子/分子流实验结果

      同时测定不同磷酸盐浓度培养基处理后菹草根际附近的净O₂和H⁺流速，结果如图1所示。在所有培养条件下，根表面成熟区均有显著的O₂吸收。在含磷培养基中培养的根系附近，持续稳定的O₂同化流速为-24.1~-19.3 pmol/(cm²·sec)，高于超纯水的平均净O₂流速(-27.5 pmol/(cm²·sec))。在根表面成熟区测得H⁺的内流和外排。但对于大多数样品来说，平均H⁺流速<0 pmol/(cm²·sec)。

 

 

图1. 不同磷酸盐浓度培养24 h后菹草根成熟区表面O₂(c)和H⁺(d)外排和吸收速率。WP是指在去离子水中培养，M1-3分别是在低、中、高磷酸盐浓度的培养液中孵育。正值表示O₂和H⁺外排，负值表示O₂和H⁺吸收。

 

其他实验结果

• 所有的微宇宙培养系统环境中Fe、总磷（TP）和溶解性活性磷（SRP）的浓度随着时间的推移而下降。

• 在高P培养基中培养的植物比低P培养基中培养的植物SOD、POD、ATP和叶绿素浓度更高。

• LP_DGT通量表现出先上升后下降的趋势，在所有条件下，LP_DGT通量均低于15 d处理。

• 培养后水-沉积物界面下约2.5 cm处LP_DGT浓度显著升高，30 d后间隙水SRP下降>75%。

• 在低和高P处理中，沉积物中O₂的浓度和穿透深度随时间的推移而急剧增加，根系周围O₂热点扩大。根系逐渐生长并向下蔓延到沉积物的深层，O₂的饱和度随着时间的推移而增加，在根系的上部（特别是在基底位置），O₂的饱和度高达100%。而根尖区的O₂饱和度下降到<10%。

• 检测不同处理后菹草中的P组分后发现，Pi和Po的浓度占TP的比例大致相等（约50%）。在低P培养基中培养15 d和30 d的植物，Pi、Po和TP的值都高于高P培养基。然而，30 d后（与15 d相比），菹草中的P的质量更高。

• 表层沉积物（5 cm深）中不同P库的浓度一般按照NaHCO₃-P>Fe/Al-P>Ca-P>H₂O-P的顺序下降。

 

结论

      微宇宙培养实验结合高分辨率原位DGT、PO和NMT技术，实现了对沉水植物菹草根际微环境的高时空分辨率成像和测量。培养30 d后，LP_DGT值先升高后降低。PO测定表明，根际O₂增加，径向扩散进入更深的沉积物层。根系表面的NMT测量表明，O₂通过通气组织从周围区域进入根系进行代谢和生长供给。根际间隙水中O₂浓度的增加（最高可达100%）主要是由根系O₂向下伸展渗透引起的，而非O₂外排（ROL）驱动的。活性Fe(II)向Fe(III)的强氧化对活性P在沉积物中的固持起着至关重要的作用。由于根际O₂浓度的增加，根系同化和P固定导致沉积物中活性P浓度降低。本研究结果表明，菹草等沉水植物能有效地去除和固定富营养化水生生态系统中的P。

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na₂SO₄, pH 6.0

 

NMT仪器信息

据中关村NMT产业联盟了解，中国科学院南京地理与湖泊研究所于2019年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

 

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jes.2021.04.010

 

关键词：除磷；菹草；薄膜扩散梯度技术（DGT）；平面光极技术（PO）；非损伤微测技术（NMT）；根际

 

 

 

 

 

 

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

 

 

 

 

基本信息

主题：NMT发现酸胁迫下STOP1促根吸H⁺致根际pH↑为探究STOP1-NRT1.1提升植物NUE及耐酸机制提供证据

期刊：The Plant Cell

影响因子：11.277

研究使用平台：NMT植物营养创新平台

标题：STOP1 activates NRT1.1-mediated nitrate uptake to create a favorable rhizospheric pH for plant adaptation to acidity

作者：浙江大学金崇伟、Jia Yuan Ye

 

检测离子/分子指标

^H+

 

检测样品

拟南芥根分生区、伸长区、成熟区

 

中文摘要（谷歌机翻）

      酸性土壤中的质子（H⁺）阻碍植物生长。然而，植物通过优化其生物过程来减少H⁺胁迫的不利影响的机制仍不清楚。本研究表明在拟南芥根中，细胞核内的C2H2型转录因子STOP1在低pH条件下以不依赖硝酸盐的方式富集，低pH条件下建立的NITRATE TRANSPORTER 1.1（NRT1.1）空间表达模式需要STOP1的作用。此外，nrt1.1和stop1突变体以及nrt1.1 stop1双突变体对低pH具有相似的超敏感表型，表明stop1和nrt1.1在H⁺耐受的通路中起着相同的作用。分子检测显示，STOP1直接与NRT1.1的启动子结合，在低pH下激活其转录，从而上调其硝酸盐摄取。这一作用通过增强根际H⁺消耗，提高了植物的氮素利用效率（NUE），为根系生长创造了有利的根际pH。因此，NRT1.1在stop1突变体中的组成性表达消除了对低pH的超敏感表型。这些结果表明，STOP1-NRT1.1是植物优化NUE、保证植物在酸性介质中更好生长的关键模块。

 

离子/分子流实验处理

3日龄幼苗在pH为6.5或4.8的琼脂培养基中生长1 d

 

离子/分子流实验结果

      利用非损伤微测技术（NMT）研究了STOP1如何影响根系消耗H⁺的空间特征。与中性pH条件相比，低pH条件明显诱导了Col-0根系中的H⁺内流，其诱导作用在分生区和伸长区远大于成熟区（图1E）。然而，stop1突变体在低pH诱导的所有根区H⁺内流被显著抑制，表明STOP1在H⁺胁迫下促进了根系对H⁺的消耗，从而提高了根际pH（图2）。

 

 

图1. 不同根区的H⁺流速。负值代表H⁺内流。

 

图2. 根际pH值

 

其他实验结果

• 在以尿素为主要氮源的弱酸性土壤中，stop1突变体的生长受到抑制不是由于Al³⁺的毒性，而是更可能与H⁺的毒性有关。

• 需要STOP1以确保植物从酸性土壤中更好地回收氮素。

• STOP1赋予H⁺耐受性取决于根际过程，与根际pH的增加有关。

• STOP1引起的根系H⁺内流增强与H⁺-ATPase基因的下调有关。

• STOP1赋予的H⁺耐受性可能与根系获取NO₃^-有关。

• STOP1提高H⁺耐受性和NUE可能与诱导NO₃^-吸收有关，而不是调节NH₄⁺吸收。

• NRT1.1的空间模式是由STOP1调节的，以应对H⁺胁迫。

• STOP1直接与NRT1.1启动子结合，支持在酸性胁迫下NRT1.1转录的激活。

• STOP1-CIPK23模块不参与H⁺耐受性或其对NO₃^-吸收亲和力的调节不足以为植物适应H⁺胁迫创造有利的根际pH。

 

结论

      本研究阐明STOP1-NRT1.1是植物通过提高根系对H⁺耦合NO₃^-的吸收来创造适宜的根际pH以适应酸性条件的关键模块（图2）。本研究结果表明，植物自身构建良好的根际pH是植物在酸性土壤H⁺胁迫下无法避免的一种有效补偿策略。值得注意的是，STOP1的转录水平对低pH没有响应，表明STOP1在H⁺胁迫下转录后激活。尽管RAE1参与的泛素-26S蛋白酶体和ESD4催化的去SUMO化途径的翻译后调控已被证实参与了Al³⁺胁迫诱导的STOP1蛋白积累，但与H⁺胁迫有关的细胞核定位STOP1富集信号的基础仍需在今后的研究中进一步阐明。

图2. STOP1-NRT1.1提高植物对酸性适应的模型。

 

测试液

0.1 mM CaCl₂, pH 6.0

 

NMT实验标准化方案

·植物营养研究NMT标准化方案

 

NMT仪器信息

·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、台州学院、湖州师范学院等数十家单位采购了旭月（北京）科技有限公司的非损伤微测系统。

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统

 

 

 

原文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koab226

 

关键词：根际pH；NO₃^-吸收；H⁺耐受；STOP1；NRT1.1

 

 

 

 

 

 

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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。

 

 

 

 

 

基本信息

主题：TRPV4（一种NSCC）通过硬骨鱼催产素途径调节斑马鱼离子平衡

期刊：Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol

影响因子：3.176

研究使用平台：NMT斑马鱼创新科研平台

标题：Transient receptor potential vanilloid 4 modulates ion balance through the isotocin pathway in zebrafish (Danio rerio)

作者：台湾师范大学林豊益、刘咸台

 

检测离子/分子指标

^H+

 

检测样品

斑马鱼卵黄囊的H⁺-ATPase富集细胞（HR细胞）

 

摘要

      —硬骨鱼催产素通过调节离子细胞（也称为富线粒体细胞或氯化物细胞）的功能来控制离子调节。但是，关于硬骨鱼催产素蛋白系统的上游分子知之甚少。在本文中，我们确定了瞬态受体电位香草酸4（TRPV4），其调节硬骨鱼催产素的mRNA和蛋白质表达并通过硬骨鱼催产素途径影响离子调控。双重免疫组织化学结果显示，TRPV4在成年斑马鱼脑下丘脑的同种异能神经元中表达。为了进一步阐明TRPV4的作用，我们操纵了TRPV4蛋白的表达并评估了其在斑马鱼胚胎中的离子调节功能。用吗啉代寡核苷酸敲低TRPV4基因可降低整个幼虫的离子含量（Na⁺，Cl^-和Ca²⁺）和斑马鱼幼体皮肤的H⁺分泌功能。在TRPV4突变体中，也抑制了离子细胞相关转运蛋白的mRNA表达，包括H+-ATPase，上皮Ca²⁺通道和Na-Cl协同转运蛋白。TRPV4敲除后，斑马鱼幼虫皮肤中的离子细胞（富含H+-ATPase的细胞和富含Na-K-ATPase的细胞）和表皮干细胞的数量也减少了。我们的结果表明，TRPV4通过硬骨鱼催产素途径调节离子平衡。

 

离子/分子流实验处理方法

对受精后三天的斑马鱼进行TRPV4敲除。

 

离子/分子流实验结果

 

      通过NMT分析了斑马鱼幼体卵黄囊的酸分泌。在卵黄囊表面记录到了代表酸分泌的H⁺外排。在TRPV4突变体中酸分泌分别下降了21.9％和67.6％，这表明卵黄囊（左图）和HR的细胞（右图）的酸分泌受到抑制。

 

其他实验结果

• TRPV4是由斑马鱼大脑中的isotocinergic神经元表达的

• Western blot分析表明，在对照组中，抗TRPV4抗体识别出一条98kda的TRPV4蛋白带。在0.5ng TRPV4-吗啉修饰反义寡核苷酸1（MO1）突变体中，该条带较微弱。表明TRPV4蛋白表达受trpv4 MO1的抑制

• 在TRPV4突变体中，同位素的mRNA和蛋白质表达均显着降低

• 注射TRPV4MO 可显著降低斑马鱼胚胎的离子含量

• 用RT-qPCR法检测了trpv4突变体中H⁺-ATPase（HA）、上皮Ca²⁺通道（ECaC）和Na⁺-Cl^-共转运体（NCC）的mRNA表达，发现HA、ECaC和NCC基因表达分别下降了39%、42%和62%。

• TRVP4突变体中HR、Na⁺-K⁺-TAPase-rich（NaR）细胞和P63细胞密度均降低，表明TRPV4基因敲除了降低了表皮干细胞的数量。

 

结论

      在本研究中，我们首次证明，TRPV4由斑马鱼下丘脑中的同位素神经元表达。TRPV4表达功能的丧失降低了同位素mRNA和蛋白表达，并减少了表皮干细胞和离子细胞的数量。我们还观察到在TRPV4突变体中离子细胞的功能被下调。我们的研究结果表明TRPV4充当调节硬骨鱼催产素功能的上游分子。

 

离子流实验使用的测试液

Normal water, 300μMMOPS buffer, 0.1 mg/L ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate，pH7.0

 

 

 

原文链接：https://journals.physiology.org/doi/abs/10.1152/ajpregu.00307.2019?journalCode=ajpregu

 

关键词：离子细胞；离子调节；硬骨鱼催产素TRPV4；斑马鱼