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基本信息

主题：HvAKT2和HvHAK1通过增强叶肉H⁺稳态提升耐旱能力

期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子：6.840

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：HvAKT2 and HvHAK1 Confer Drought Tolerance in Barley through Enhanced Leaf Mesophyll H⁺ Homeostasis

作者：浙江大学邬飞波、冯雪，西悉尼大学、长江大学陈仲华

检测离子/分子指标

K⁺，H⁺，Ca²⁺

检测样品

大麦叶肉细胞

中文摘要（谷歌机翻）

      植物对K⁺的吸收通常包括由K⁺通道（AKT/KAT/KC）介导的低亲和力机制和受HAK/KUP/KT转运蛋白调控的高亲和力机制组成，这些机制已被广泛的研究。然而，在适应旱地农业的作物中，这两种K⁺吸收机制在耐旱性方面的进化和遗传机制还没有得到充分的研究。因此本研究采用进化生物信息学、生物技术和非损伤微测技术来确定两个重要的K⁺转运蛋白HvAKT2和HvHAK1在大麦耐旱性中的作用。在耐旱型野生大麦XZ5中通过基因沉默（BSMV-VIGS）技术克隆了HvAKT2和HvHAK1，并对其进行功能鉴定。在大麦品种“Golden Promise”中进行了农杆菌介导的基因转移。HvAKT2和HvHAK1均定位于质膜，对K⁺和Rb⁺的选择性高于其他测试阳离子。HvAKT2和HvHAK1的过表达增强了K⁺的吸收和H⁺的稳态，导致这些转基因株系具有耐旱性。此外，与野生型和沉默株系相比，过表达株系HvAKT2和HvHAK1对K⁺、H⁺和Ca²⁺跨膜流速以及叶片中NO和H₂O₂的产生有明显的响应。高亲和力和低亲和力的K⁺吸收机制及其与H⁺稳态的协同作用在野生大麦干旱适应性至关重要。这些发现可能有助于未来在全球气候变化中培育抗逆性强的谷类作物。

离子/分子流实验处理

1. 20% PEG瞬时处理大麦叶片制备叶肉组织，测试液中平衡2 h后，用20% PEG瞬时处理
2. 20% PEG预处理制备叶肉组织，用20% PEG处理0、1、12、24 h

离子/分子流实验结果

      干旱（20% PEG处理1 h）导致接种了BSMV:HvAKT2和BSMV:HvHAK1的干旱敏感型大麦叶片叶肉H⁺由外排向内流转变（图1e）。相反，与Golden Promise相比，HvAKT2和HvHAK1过表达则显著增加了叶肉对干旱胁迫的响应（图1）。

图1. 干旱胁迫下转基因大麦叶片H⁺流速的研究。负值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺外排，正值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺吸收。

然后对所有大麦品系（XZ5、沉默株系、Golden Promise和过表达株系）在24 h内进行K⁺、H⁺和Ca²⁺流速测定，以了解HvAKT2和HvHAK1在大麦抗旱性中的作用。与对照相比，在PEG诱导的干旱胁迫1 h和12 h后，沉默HvAKT2和HvHAK1株系的叶肉组织K⁺的吸收显著降低（图2a, d）。模拟接种的植株在对照组和PEG诱导干旱处理的植株叶片中表现出H⁺外排，而HvAKT2-和HvHAK1-沉默的植株在PEG诱导后则表现出的H⁺内流（图2b, e）。BSMV:HvHAK1植株叶片叶肉细胞Ca²⁺流速在干旱处理1 h和12 h后显著增加（图2c, f）。在沉默株系的根部观察到类似的K⁺、H⁺和Ca²⁺流速趋势。

在过表达HvAKT2和HvHAK1的植物的叶肉组织中，PEG诱导的干旱胁迫导致HvAKT2-OX和HvHAK1-OX植物的K⁺内流速率比Golden Promise高2.6倍和1.8倍（图2a）。在所有植物中，经过PEG处理24 h后，K⁺内流速率均减少，但在过表达株系中，其K⁺内流速率（70~80 nmol m^-2s^-1）仍显著高于对照（图2a, d）。在对照和PEG诱导的干旱处理1 h和12 h后，过表达HvAKT2和HvHAK1的植物比Golden Promise保持着更显著的H⁺外排（图2b, e）。HvAKT2-OX植株叶片叶肉细胞的Ca²⁺流速在干旱1 h和12 h后显著增加（图2c, f）。

 图2. 干旱胁迫下转基因大麦叶片离子流速的研究。负值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺外排，正值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺吸收。

陈仲华课题组NMT成果回顾

S Shabala、陈仲华：NMT发现盐胁迫下耐盐水稻叶肉细胞排K+排Cl-更低

测试液

0.1 mM CaCl₂, 0.5 mM KCl, pH 5.8

仪器采购信息

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（北京）科技有限公司的非损伤微测系统。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13332

关键词：植物逆境；K⁺；H⁺；Ca²⁺；干旱胁迫；叶肉

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基本信息

主题：NMT发现喷施ABA可抑制植物吸Cd 氟啶酮则促吸Cd

期刊：Journal of Plant Growth Regulation

影响因子：2.672

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：Abscisic Acid Decreases Cell Death in Malus hupehensis Rehd. Under Cd Stress by Reducing Root Cd²⁺ Influx and Leaf Transpiration

作者：山东农业大学杨洪强、邓波

检测离子/分子指标

Cd²⁺

检测样品

湖北海棠根分生区（距根尖120 μm根表上的点）

中文摘要（谷歌机翻）

      镉（Cd）是一种剧毒重金属。脱落酸（ABA）是植物体内具有多种功能的调节物质。为了进一步探索ABA缓解植物Cd胁迫的机制，将ABA和抑制ABA生物合成的氟啶酮（Flu）分别喷施在用Cd处理的湖北海棠（Malus hupehensis）幼苗的叶片上。然后分析了根部Cd²⁺流速、根部Cd²⁺的积累和转运、根部的细胞死亡和叶片的蒸腾速率。结果表明，Cd处理6~72 h，根系细胞死亡量逐渐增加。与单一Cd处理相比，喷施ABA处理的湖北海棠根细胞死亡数、根系过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（MDA）积累量和叶片蒸腾速率显著降低。此外，根系中Cd²⁺的内流速率、植株中Cd含量以及Cd从根系向地上部的迁移速率也显著降低。与此相反，在Cd处理下喷施Flu的湖北海棠，所有这些参数都显著增加。这些结果表明，叶面喷施ABA可以通过降低细胞死亡以及根系中H₂O₂和MDA含量来缓解Cd胁迫下湖北海棠根部Cd损伤。考虑到蒸腾作用是植物吸收和运输无机盐的主要驱动力，本研究结果表明，减少叶片蒸腾速率可减轻根中Cd的损害，从而减少根中Cd²⁺的流入和积累。

离子/分子流实验处理

1. CK：100 μM CdSO₄+喷施蒸馏水处理24 h
2. ABA：100 μM CdSO₄+喷施5 μM ABA处理24 h
3. Flu：100 μM CdSO₄+喷施80 μM Flu处理24 h

离子/分子流实验结果

      使用非损伤微测技术（NMT）检测湖北海棠根的Cd²⁺流速。CdSO₄处理后，根表面Cd²⁺净流速值为负值，表明根系对Cd²⁺的吸收（图1a）。与对照相比，喷施ABA降低了根系44.90%的Cd²⁺平均内流速率，喷施Flu提高了根系58.46%的Cd²⁺平均内流速率（图1b）。因此该研究表明，喷施ABA降低了湖北海棠根系对Cd²⁺的吸收，喷施Flu促进了根系对Cd²⁺的吸收。

图1. ABA和Flu处理对湖北海棠根部Cd²⁺流速的影响。负值代表Cd²⁺吸收（图a）。

测试液

100 μM CdSO4, 0.1 mM KCl, 0.3 mM MES, 0.1% sucrose, pH 6.0

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，山东地区的山东农业大学于2013年采购了美国扬格公司公司的非损伤微测系统。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s00344-021-10327-0

关键词：脱落酸；细胞死亡；Cd胁迫；Cd²⁺内流；叶片蒸腾

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基本信息

主题：NMT为质膜蛋白BcNRAMP1促植物吸收Cd、Mn提供直接证据

期刊：Chemosphere

影响因子：7.086

研究使用平台：NMT重金属创新平台

标题：BcNRAMP1 promotes the absorption of cadmium and manganese in Arabidopsis

作者：南京农业大学崔瑾、苏娜娜、悦晓孟

检测离子/分子指标

Cd²⁺

检测样品

拟南芥根，距根尖0 μm、100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500、600 μm、700 μm、800 μm根表上的点

中文摘要（谷歌机翻）

      镉（Cd）是一种有毒的非必需金属，对人类健康构成威胁。与其他蔬菜相比，镉在叶类蔬菜中容易积累。叶菜是人体主要的膳食Cd来源之一。本研究使用小白菜作为实验材料，因为它是一种重要的叶菜。在小白菜中发现了一个NRAMP转运体—BcNRAMP1，它参与了酵母和植物体中锰（Mn）和Cd的吸收。BcNRAMP1在小白菜的整个植物体内均有表达，在根组织中的丰度高于地上部分。缺锰和镉暴露强烈诱导BcNRAMP1的转录水平。通过在烟草叶表皮细胞中瞬时表达BcNRAMP1-GFP融合蛋白，发现BcNRAMP1是一种质膜蛋白。在酵母中表达BcNRAMP1增强了酵母细胞对Mn、Cd和铁（Fe）的吸收。BcNRAMP1在拟南芥野生型和nramp1突变体中的过表达分别增加和补充了Mn和Cd的转运和积累。利用非损伤微测技术（NMT）检测离子流速，提供了BcNRAMP1在拟南芥根细胞中作用于Cd流入的直接证据。这项研究的结果显示，BcNRAMP1在植物体内作为NRAMP蛋白发挥作用，吸收营养金属Mn和有毒金属Cd。

离子/分子流实验处理

拟南芥在MS培养基上生长10 d，然后转移到1/4Hoagland溶液的水培培养5-7 d

离子/分子流实验结果

      使用NMT测定了拟南芥根距离根尖0-800 μm范围内的Cd²⁺流速。如图1A所示，在距离尖端300 μm处有Cd流速吸收的峰值，该处位于根伸长区。此外，在600 μm处也检测到较小的峰值，该处位于根成熟区（图1A）。选择这两个位置进行Cd²⁺流速的进一步检测。与WT相比，nramp1突变体的Cd²⁺流速在伸长区（51%）和成熟区（42%）明显减少。在过表达系OEBcNRAMP1-L1中，伸长区和成熟区的Cd²⁺流速分别增加了70%和75%，而在互补株系ComBcNRAMP1-L1中，伸长区和成熟区的Cd²⁺净流速与WT的水平相似（图1C-F）。

图1. WT（Col-0）、nramp-突变体、ComBcNRAMP1（L1）和OEBcNRAMP1（L1）株系根系Cd²⁺流速。（A）Cd²⁺在根表不同位置的流速。NMT检测根伸长区（B）和成熟区（C）Cd²⁺净流速的代表性图片。伸长区（D）和成熟区（E）的实时净Cd²⁺流速，伸长区（E）和成熟区（F）的平均Cd²⁺流速。负值代表Cd²⁺吸收。

 崔瑾课题组NMT成果回顾

·JHM南农崔瑾：NMT发现富氢水可以提升Zn抑制植物实时Cd吸收的效果

EP南农崔瑾：血红素加氧酶诱导剂抑制BcIRT1转录降低小白菜Cd吸收

 其他实验结果

• 序列分析表明BcNRAMP1是小白菜NRAMP转运体。

• BcNRAMP1提高了酵母对Cd、Mn和Fe的吸收，但对Cu和Zn的吸收没有影响。

• Mn缺乏和Cd暴露会激活BcNRAMP1在植物体内的表达。

• BcNRAMP1正调控拟南芥对Mn的吸收，但对Cu、Fe和Zn没有影响。

• BcNRAMP1促进拟南芥Cd积累。

结论

      本研究发现了一个小白菜的基因BcNRAMP1，BcNRAMP1几乎在所有的植物组织中都有表达，在根部的表达水平高于地上部分。Mn缺乏和Cd暴露均可激活BcNRAMP1转录。重要的是，BcNRAMP1是一个位于质膜上的转运体，它在根部对Cd和Mn的吸收起作用，并促进它们在植物体内积累。

测试液

5 μM CdCl₂, 0.1 mM KCl, 0.3 mM MES, pH 6.0

仪器采购信息

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

原文链接：https://www.elsevier.com/locate/chemosphere

关键词：镉；锰；金属转运体；BcNRAMP1；小白菜

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基本信息

主题：NMT发现低氧胁迫促水稻根IAA积累调控根系发育

期刊：Environmental and Experimental Botany

影响因子：3.712

研究使用平台：NMT植物生长发育创新平台

标题：Comparative morphological and transcriptomic responses of lowland and upland rice to root-zone hypoxia

作者：河南农业大学赵全志、辛泽毓、刘娟

检测离子/分子指标

IAA，O₂

检测样品

水稻（低地和高地两种）距根尖0、200、300、600、900、1200、1500、2500 μm根表上的点。

中文摘要（谷歌机翻）

      就两种生态型而言，低陆和旱稻在低氧条件下表现出不同的耐受水平。然而，它们之间的水稻根缺氧耐受性的分子机制尚不完全清楚。这项研究的目的是评估一种低陆稻悦富（YF）和一种陆稻IRAT109（IR）基因型的根的形态，生理和转录变化。形态生理学分析表明，与IR相比，YF在低氧条件下显示的根长，根和茎生物量减少，在根中形成更多的气孔，并保持更多的氧流入。吲哚-3-乙酸（IAA）流速模式在YF和IR中显示出对缺氧的不同响应。在低氧条件下，IAF，乙烯和过氧化氢的含量在YF和IR中显著增加，而一氧化氮仅在YF中显著增加。随后，转录组分析显示，与IR相比，鉴定出更多的差异表达基因（DEG）对YF缺氧有反应。基因本体论（GO）和《京都基因与基因组百科全书》（KEGG）分析表明，两种基因型的DEG均富含能量代谢，通气组织形成，活性氧种类和细胞壁修饰，而YF中更多相关的DEG则显著丰富了这些途径比红外线YF中的特定DEGs尤其富含植物激素代谢和信号传导，例如生长素，茉莉酸和乙烯，而IR中的特定DEGs尤其富含光合作用。所有这些结果表明，YF比IR更耐缺氧，并阐明了低陆稻和旱稻差异耐缺氧性的某些特定机制。该研究为水稻遗传适应低氧胁迫提供了有价值的候选基因。

离子/分子流实验处理

10日龄幼苗分别在充足氧（4.5~6.0 mg L^-1）和缺氧（0.9~2.1 mg L^-1）条件下培养5 d。

离子/分子流实验结果

在氧气充足（Aer）的条件下，分生区吸收O₂比较剧烈。YF（低地品种）和IR（高地品种）在300 μm处吸收的O₂最多，其流速值分别达到79.14 pmol cm^-2s^-1和83.72 pmol cm^-2s^-1，而在缺氧（Hyp）条件下分别为44.77 pmol cm^-2s^-1和40.08 pmol cm^-2s^-1（图1a）；IR明显降低的更多一些。这说明，分生区是水稻根部感受氧的关键区域，IR对缺氧条件更加敏感。

根分生区同时也是IAA较为敏感的区域。缺氧条件下，除IR的300 μm处之外，两种水稻均表现为吸收IAA。氧气充足时，YF和IR在600 μm处的IAA吸收速率分别为29740 fmol cm^-2s^-1和35092 fmol cm^-2s^-1；而在缺氧条件下分别为8864 fmol cm^-2s^-1和5441 fmol cm^-2s^-1（图1b）。结合IAA含量测定结果，发现缺氧促使根部积累IAA。这说明生长素参与了缺氧条件下根系发育的调控过程。

图1. 沿水稻根尖O₂和IAA流速的变化。

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, pH 5.5

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，河南地区的河南农业大学于2014年采购了旭月（北京）科技有限公司的非损伤微测系统。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2019.103916

关键词：非损伤微测技术；IAA；O₂；逆境；缺氧