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基本信息

主题：NMT发现胞质酸化激活阴离子通道SLAH3排氯排硝 为验证SLAH3是pH感受器提供直接证据

期刊：Current Biology

影响因子：10.834

研究使用平台：NMT水旱胁迫创新平台

标题：Acidosis-induced activation of anion channel SLAH3 in the flooding-related stress response of Arabidopsis

作者：维尔茨堡大学Rainer Hedrich、Tobias Maierhofer、Julian Lehmann

 

检测离子/分子指标

阴离子（NO₃^-、Cl^-）

 

检测样品

7日龄拟南芥（WT、slah3-1）根、叶肉细胞

 

类似代表性NMT文献

·PP兰大何凯：NMT发现阴离子通道调节因子调节硝酸盐通道促硝酸盐外排缓解植物铵毒

·加州大学栾升、兰大何凯：NMT发现AtPiezo介导植物根冠Ca2+流响应机械力

·MP万建民院士：无损“电生理”钙流为揭示OsCNGC9通道调控水稻低温响应机制提供直接证据

·Nature：NMT为气孔免疫钙通道的发现提供重要证据 | NMT植物防御创新科研平台

 

中文摘要（谷歌机翻）

      植物作为固着生物，获得了感知和响应生物和非生物胁迫的能力，从而在环境的剧烈变化中生存。气候的变化除了极端的干旱，也会有洪水发生。水淹胁迫会导致厌氧引发的细胞质酸中毒并损害植物功能。使植物细胞感知到酸性并通过膜去极化传递这种信号的分子机制以前是未知的。本研究表明酸中毒诱导的拟南芥根阴离子外排依赖于S型阴离子通道AtSLAH3。SLAH3在爪蟾卵母细胞中的异源表达表明，阴离子通道被细胞质pH值的一个小的生理性下降直接激活。酸中毒引起的SLAH3的激活是由组氨酸330和454的质子化所介导的。超分辨率显微镜分析表明，细胞内质子浓度的增加使SLAH3从电沉默的通道二聚体转变为活性单体形式。研究结果表明，酸化后，质子直接将SLAH3转换为开放构型，绕过激酶依赖性激活。此外，在水淹条件下，与SLAH3功能丧失的突变体相比，野生型拟南芥的应激响应显著更高。本研究关于SLAH3 pH传感器功能的遗传证据可以指导改良具有更好的抗逆性的作物品种。

 

离子/分子流实验处理

1mM NaOAc或10 μM ABA实时处理

 

离子/分子流实验结果

      在植物对各种胁迫（包括缺氧）的响应中，有人推测细胞膜酸化和质膜去极化之间有直接联系。这种响应也可以通过向拟南芥幼苗的根部施加ABA来触发，导致野生型（WT）植株的细胞质pH下降，并且诱导阴离子外排。在SLAH3基因敲除的植株（slah3-1）中没有这种阴离子外排的现象（图1）。

 

图1. 10 μM ABA实时处理诱导的拟南芥WT或slah3-1根表面的阴离子流速。正值表示阴离子外排。

 

      在细胞质酸中毒开始时，在WT植物中观察到强烈的阴离子外排（图2），但在slah3-1突变体中未观察到类似现象（图2）。当植物完全淹没水中时，所有被淹没的植物组织会受到低氧胁迫。因此，作者对酸中毒是否也能在叶肉细胞中触发SLAH3激活进行了研究。10 mM醋酸盐处理会引起阴离子外排增加，而slah3-1中不存在这种情况（图3）。

 

图2. 1 mM NaOAc实时处理诱导的拟南芥WT或slah3-1根表面的阴离子流速。正值代表阴离子外排。

 

图3.10 mM 醋酸盐实时处理诱导的拟南芥WT或slah3-1叶肉细胞表面用阴离子流速。正值代表阴离子外排。

 

 其他实验结果

• 在非洲爪蟾卵母细胞中异源表达SLAH3，并利用可引起胞质酸化的醋酸钠（NaOAc）处理发现，阴离子通道能够直接被细胞质pH值的小幅生理性下降激活。

• 随着pH值的降低，电流幅度的增加与单通道电导的增加无关，表明可激活的SLAH3通道数量的增加依赖于细胞质pH。

• 通过超分辨率显微镜分析表明，细胞质子浓度的增加将SLAH3从非功能性同源二聚体转变为活性单体形式。

• 为检测和鉴定组氨酸残基是否参与AtSLAH3的pH感应，基于HiTehA晶体结构对SLAH3进行建模分析发现，酸中毒触发的SLAH3激活是由两个胞内组氨酸残基His330和His454的质子化介导的，它们对于pH依赖性SLAH3门控和单体化至关重要。

• 为研究低氧胁迫下SLAH3的功能，将拟南芥WT以及slah3敲除株系进行黑暗浸水处理。Fv/Fm值所代表的光合能力可作为植物涝渍胁迫响应的敏感指标，检测结果发现在黑暗中浸水5天后，WT的光合能力急剧下降，而在slah3突变体中胁迫诱导的Fv/Fm降低程度较小，这表明SLAH3使WT植株能够触发明显的应激反应。

 

结论

该项研究表明酸中毒诱导的拟南芥根系阴离子外排依赖于S型阴离子通道AtSLAH3：（1）细胞质酸中毒触发SLAH3介导的阴离子外排；（2）SLAH3通过两个特定组氨酸残基的质子化而直接激活；（3）细胞质酸化后，SLAH3二聚体单体化，触发通道的激活；（4）SLAH3在水淹条件下的植物缺氧响应中起作用。

阴离子通道SLAH3可以通过特定的组氨酸残基感知细胞酸中毒，从而从“沉默”二聚体转变为活性单体。淹水条件下，低氧诱导的酸中毒触发SLAH3介导的质膜去极化，导致拟南芥光合能力下降。

 

图3. 质子依赖性SLAH3激活的简化模型。

 

测试液

根：0.1 mM KCl，1 mM CaCl₂，5 mM MES/BTP，pH 5.6
叶肉细胞：0.1 mM KCl，1 mM Ca(NO₃)₂，10 mM MES/BTP，pH 5.6

 

 

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.06.018

 

关键词：水淹胁迫；阴离子通道；酸中毒；SLAH3；组氨酸；光合

 

 

 

 

 

 

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郭岩课题组成果回顾

·Nat Commun郭岩：Ca2+激活的14-3-3蛋白在盐胁迫中充当分子开关

·MP谢旗郭岩：Na+流为SOS调控植物耐盐新机制研究提供证据 | NMT植物耐盐创新科研平台

 

基本信息

主题：NMT发现PI4P/PI动态调控质子泵、Na-H逆向转运体活性 调节植物耐盐

期刊：Molecular Plant

影响因子：13.164

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：Dynamic changes of phosphatidylinositol and phosphatidylinositol 4-phosphate levels modulate H⁺-ATPase and Na⁺/H⁺antiporter activities to maintain ion homeostasis in Arabidopsis under salt stress

作者：北京大学雷晓光、XiuliHan，中国农业大学郭岩、杨永青、马亮

 

检测离子/分子指标

Na⁺、H⁺

 

检测样品

拟南芥根分生区，距根尖120 μm 根表上的点

 

中文摘要（谷歌机翻）

      在环境变化下，植物的代谢物会动态地改变和分布。然而，目前人们对代谢产物在植物逆境响应中如何改变功能的还很不清楚。盐胁迫下维持离子稳态需要协调激活PM H⁺-ATPase和Na⁺/H⁺逆向转运体这两种中枢调节物质。本文采用生物引导分离方法，鉴定了影响PM H⁺-ATPase和Na⁺/H⁺逆向转运体活性的内源性小分子，发现磷脂酰肌醇（PI）通过直接与PM H⁺-ATPase AHA2的C端结合而抑制拟南芥在非胁迫条件下PM H⁺-ATPase的活性。盐胁迫下，磷脂酰肌醇4-磷酸（PI4P）/PI比值升高，PI4P结合并激活PM Na⁺/H⁺逆向转运体活性。PI更倾向于与PM H⁺-ATPase的非活性形式结合，而PI4P倾向于与Na⁺/H⁺逆向转运体的活性形式结合。同样，pis1突变体的PI水平降低，表现出PM H⁺-ATPase活性和耐盐性增强；而pi4kβ1突变体的PI4P水平降低，表现出PM Na⁺/H⁺逆向转运体活性和耐盐性减弱。综上所述，本文揭示了拟南芥在盐胁迫下PI与PI4P之间的动态变化，对于维持离子稳态以保护植物免受不利环境条件的影响至关重要。

 

离子/分子流实验处理

H⁺：7日龄拟南芥幼苗在含有75 mM NaCl的MS培养基中培养24 h。
Na⁺：7日龄拟南芥幼苗在含有100 mM NaCl的MS培养基中培养24 h。

 

离子/分子流实验结果

      使用非损伤微测技术（NMT）检测Col-0, pis1-1, pis1-2,COM1 and COM2的H⁺流速。将7日龄幼苗转入含75 mM NaCl（pH 8.1）的MS培养基中培养24 h，测定根尖H⁺流速。pis1-1和pis1-2植物的H⁺流速与Col-0相比显著增加，而COM1和COM2植物的H⁺流速与Col-0植物相同（图1C, D）。因此，在PI含量减少的pis1突变体中，PM H⁺-ATPase活性增加，表明PI在体内抑制了PM H⁺-ATPase的活性。

 

图1. Col-0、pis1-1、pis1-2、COM1和COM2根尖的净H⁺外排速率。正值代表H⁺外排。

 

      在100 mM NaCl预处理24 h后，用NMT检测Col-0外排明显减少，而COM1和COM2互补系的Na⁺外排被恢复到WT水平（图2C, D）。

 

图2. Col-0、pi4kβ1、COM1和COM2根尖的净Na⁺外排速率。正值代表Na⁺外排。

 

 其他实验结果

• 采用生物引导分离方法对拟南芥Col-0幼苗粗提物进行分离，通过质谱等分析，发现PI能结合并调节PM H⁺-ATPase活性。

• 外源PI可能通过抑制PMH⁺-ATPase活性而抑制植物和酵母生长。

• PI在正常条件下可能维持PM H⁺-ATPase活性的自抑制状态。

• PI通过直接特异性的结合在PM H⁺-ATPase AHA2的C端，在AHA2 C^S931位点的磷酸化增强了PI-AHA2的结合亲和力，在非胁迫条件下抑制PM H⁺-ATPase活性。

• 为了确定PI是否也抑制植物中体内的PM H⁺-ATPase活性，从拟南芥生物资源中心获得了两个编码拟南芥PI合成关键酶的T-DNA插入突变体pis1-1和pis1-2，利用遗传学证据表明，内源性PI负调控PM H⁺-ATPase活性。

• PI生物合成调控通过调节PM H⁺-ATPase活性参与植物盐胁迫响应。

• PI4P不影响PI介导的抑制PM H⁺-ATPase活性，对PI与AHAC的结合活性也没有影响。

• 质膜中PI的含量远高于PI4P，且在盐胁迫下PI4P和PI(4,5)P2的含量较非盐胁迫下显著增加，PI4P/PI比值在盐胁迫下升高。

• 盐胁迫下，PI被代谢成PI4P，并释放PM H⁺-ATPase的活性以提供质子梯度；同时，PI4P激活PM Na⁺/H⁺逆向转运体的活性，将Na⁺运出细胞。

• PI倾向于与PM H⁺-ATPase的非活性形式结合，而PI4P倾向于与Na⁺/H⁺逆向转运体的活性形式结合。在pi4kβ1突变体（PI4Kβ1是PI合成PI4P的关键酶）中，PI4P水平降低，PM Na⁺/H⁺逆向转运体活性降低，耐盐胁迫能力下降。

• 内源性PI4P可激活质膜Na⁺/H⁺逆向转运体的活性。

• 拟南芥内源性PI4P参与调控PM Na⁺/H⁺逆向转运体在盐胁迫下的活性。

• 内源性PI4P正调节PM Na⁺/H⁺逆向转运体活性。

• PI4P更倾向与高度活化的SOS1结合，这也许是为了在盐胁迫下维持或激活SOS1的活性。

• NaCl处理可诱导PI4K激酶活性，增加质膜中PI4P含量。

 

结论

      本研究通过生物引导分离法鉴定了一个内源性脂质分子PI，它与PM H⁺-ATPase结合，并在非胁迫条件下抑制其活性，在盐胁迫下，PI与PM H⁺-ATPase解离，进而降低其抑制作用，使PM H⁺-ATPase被激活。根据这一观点，PI4K激酶的活性被盐胁迫诱导，将PI代谢成PI4P，后者结合并激活PM Na⁺/H⁺逆向转运体SOS1。PM H⁺-ATPase活性的增加产生了一个跨膜质子梯度，直接激活SOS1，将Na⁺运出细胞（图3G）。本研究揭示植物通过调节代谢物的变化来协同调节关键酶活性，使植物能够对逆境胁迫做出响应。

图3. PI和PI4P动态变化如何在调节离子稳态中发挥关键作用的模型。

 

测试液

0.1 mM CaCl₂，0.3 mM MES，0.5mM KCl，pH 6.0

 

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，北京地区的北京大学、中国农业大学分别于2019、2020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.molp.2021.07.020

 

关键词：拟南芥；磷脂酰肌醇；内源性小分子；H⁺-ATPase；Na⁺/H⁺逆向转运体；盐胁迫

 

 

 

 

 

 

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发现虫食致植物生长迟缓与IAA滞留分生区相关

期刊：Journal of Plant Growth Regulation

影响因子：2.047（2018年）

研究使用平台：NMT植物生长发育创新平台

标题：Insect Herbivory of Leaves Affects the Auxin Flux Along Root Apices in Arabidopsis thaliana

作者：北京林业大学沈应柏、闫素丽

 

检测离子/分子指标

IAA，H⁺

 

检测样品

拟南芥根，距根尖0、100、200、300、400、600、700、800、900、1000、1100、1200 μm根表上的点。

 

中文摘要（谷歌机翻）

      植物在面临昆虫攻击时，会降低其生长速度，反过来，资源也会从生长中转移到加强对食草动物的抵抗力上。在这项研究中，研究了一种可能的信号级联，以建立昆虫食草后观察到的缓慢生长的潜在机制。本研究结果表明，小菜蛾（Plutella xylostella）侵袭后，叶片和根中的游离茉莉酸酯（JA）和植物生长素水平均升高，同时植物生长素生物合成的YUCCA3和YUCCA8基因转录增加。使用非损伤微测技术（NMT）对内源性生长素流速进行进一步检查表明，在根部过渡区的表面附近，昆虫取食后净生长素流速下降。相反，昆虫取食导致根表面净H⁺流速增加，最明显的反应发生在过渡带。昆虫取食后，生长素转运蛋白基因PIN1，PIN2，PIN3，PIN7和AUX1的转录水平也降低了。生长素和H⁺流速的结果共同表明，昆虫取食后生长的减少可能与沿根尖的生长素流速和质子分泌的减少有关。

 

离子/分子流实验处理

小菜蛾取食或不取食10日龄拟南芥幼苗

 

离子/分子流实验结果

      为了研究根部发育的生理变化，在小菜蛾取食后，用NMT技术检测了沿15日龄幼苗根尖的IAA流速。在对照苗根中，分生区（距根尖0~100 μm）和过渡区（距根尖100~400 μm）的IAA流速为正，表明IAA外排很强（图1c）。在距离根冠交界处200 μm处观察到的IAA外排速率最大，而伸长区和成熟区呈现负值，说明IAA净内流。在小菜蛾取食后，在分生区和过渡区（距根尖0~400 μm），IAA的外排被显著抑制；但在伸长区和过渡区，小菜蛾取食没有诱导IAA内流，如对照所示。

 

图1. 昆虫取食对拟南芥根中IAA流速的影响。正值代表H⁺外排，负值代表H⁺吸收。

 

      以前的研究表明，IAA运输伴随着H⁺运输。因此，也用NMT测量了小菜蛾取食后根尖的H⁺流速。在对照组中，幼苗根部在分生区（0~100 μm）和过渡区（100~400 μm）表现出强烈的H⁺内流，在300 μm处达到最大值。在伸长区和成熟区，H⁺流速呈现略微负值，表明H⁺的净吸收。昆虫取食后，分生区和过渡区的H⁺净内流速率均减少（图2）。然而，在伸长区和成熟区，与对照组相比，H⁺流速没有显著变化。

 

图2. 昆虫取食对拟南芥根中H⁺流速的影响。正值代表H⁺外排，负值代表H⁺吸收。

 

测试液

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

 

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，北京地区的北京林业大学于2009年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

 

 

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00344-017-9688-4

 

关键词：昆虫食草；茉莉酸；生长素通量；根生长；拟南芥

 

 

 

 

 

 

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发现硼通过IAA极性运输促根过渡区碱化缓解铝毒

期刊：Plant Physiology

影响因子：5.949（2018年）

研究使用平台：NMT重金属胁迫创新平台

标题：Boron Alleviates Aluminum Toxicity by Promoting Root Alkalization in Transition Zone via Polar Auxin Transport

作者：佛山科学技术学院喻敏、李学文、Sergey Shabala

 

检测离子/分子指标

H⁺，IAA

 

检测样品

豌豆根，距根尖0、300、600、900、1200、1500、1800、2100、2400、2700 μm根表上的点

 

中文摘要（谷歌机翻）

      硼（B）减轻高等植物中的铝（Al）毒性，然而，这种现象背后的潜在机制仍然未知。本研究使用溴甲酚绿pH值指示剂，非损伤微测技术（NMT）来证明B促进豌豆（Pisum sativum）根的根表面pH梯度，导致根过渡区的碱化和伸长区的酸化，而Al抑制这些pH梯度。B显著降低了侧根的过渡区（距离顶点约1.0-2.5 mm）的Al积累，从而减轻了Al诱导的根伸长抑制。通过IAA敏感的铂流速微传感器检测到的净IAA外排显示极性生长素转运在根过渡区达到峰值，受到Al毒性的抑制，而被B部分恢复。使用拟南芥的电生理实验拟南芥（Arabidopsis thaliana）生长素转运蛋白（生长素抗性1-7;针形成2 [pin2]）和特异性极性生长素转运蛋白抑制剂1-萘基酞酸表明，基于PIN2的极性生长素转运参与过渡区的根表面碱化。本研究结果表明，B促进由生长素外排转运蛋白PIN2驱动的极性生长素转运，并导致质膜-H⁺-ATPase的下游调节，导致根表面pH升高，这对于减少这种铝靶向中的Al积累是必不可少的。这些发现为外源B在减轻植物中铝积累和毒性中的作用提供了机制解释。

 

离子/分子流实验处理

4日龄豌豆幼苗，0或25 μM H₃BO₃处理2 d，之后0或15 μm AlCl₃溶液（pH 4.0）中处理3 h。

 

离子/分子流实验结果

      为了研究极性生长素运输是否参与了豌豆根过渡区表面碱化的调控，使用NMT技术测定了豌豆根尖中IAA的净流速。IAA净外排速率的曲线与沿根轴的pH曲线相似。净IAA外排速率在距离根冠交界处600~1500 μm之间达到峰值，在+B植物中900 μm处检测到最高的外排速率，在-B植物中1200 μm处检测到最高的外排速率（图1A）。B缺乏显著抑制了分生组织和根过渡区IAA的净外排。Al胁迫3 h对-B和+B植株的IAA净外排也有明显的抑制作用，这种抑制作用主要发生在根部过渡区（图1A）。Al胁迫后，在分生组织和过渡区，-B植物的IAA净外排速率低于+B植物。这表明Al毒抑制了根过渡区IAA的外排，而B缺乏则抑制了分生组织和过渡区IAA的外排。B缓解了Al毒作用下Al诱导的过渡带IAA外排减少。

 

图1. B和Al对豌豆侧根根尖IAA转运的影响。正值代表IAA外排，负值代表IAA吸收。

 

测试液

IAA：0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, 0.2 mM Na₂SO₄, 0.3 mM MES, pH 4.0
H⁺：0.1 mM CaCl₂, 0.5 mM KCl, pH 4.5

 

仪器采购信息

据中关村NMT产业联盟了解，广东地区的佛山科学技术学院于2018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：http://www.plantphysiol.org/content/177/3/1254

 

关键词：硼；铝毒；生长素；豌豆；pH