Na 和K 转运体的组织特异性调控解释了水稻盐胁迫耐受性的基因型差异外文翻译资料

 2023-03-28 11:03

Na 和K 转运体的组织特异性调控解释了水稻盐胁迫耐受性的基因型差异

作者：Juan Liu1,2, Sergey Shabala2,3*, Lana Shabala2, Meixue Zhou2, Holger Meinke2, Gayatri Venkataraman4, Zhonghua Chen5,6, Fanrong Zeng7 and Quanzhi Zhao1*

单位：Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, Henan Key Laboratory of Rice Biology, Henan Agricultural University, Zhengzhou, China, Tasmanian Institute of Agriculture, University of Tasmania, Hobart, TAS, Australia, International Research Centre for Environmental Membrane Biology, Foshan University, Foshan, China, Plant Molecular Biology Laboratory, M.S. Swaminathan Research Foundation, Chennai, India, School of Science and Health, Western Sydney University, Penrith, NSW, Australia, Hawkesbury Institute for the Environment, Western Sydney University, Penrith, NSW, Australia, Department of Agronomy, College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou, China

摘要：水稻(Oryza sativa)是世界上一半以上人口的主食。由于水稻对土壤盐度高度敏感，目前土壤盐渍化的趋势威胁着全球粮食安全。为了更好地了解水稻耐盐性的机理，以耐盐水稻品种Reiziq、中度耐盐水稻品种Doongara和敏感水稻品种Koshihikari为材料，研究了这些基因型中关键离子转运体在调控离子稳态中的作用差异。耐盐品种降低了从根到地上部的Na 转运。电生理和定量逆转录PCR实验表明，耐盐基因型在根系伸长区具有2倍以上的净Na 排出能力。有趣的是，这种外排仅部分由质膜Na /H 逆向转运蛋白(OsSOS1)介导，这表明还有其他一些排斥机制参与。根系成熟区Na 排出率在品种间无显著差异，延伸区盐敏感信号通路基因的转录变化与基因型间耐盐性的遗传变异无关。不同耐盐性的最重要标志是植物在两个根区保留K 的能力。这种特性至少由三种互补机制赋予：（1）其在转录和功能水平上激活H -ATP酶泵操作的优越能力；（2） 降低K 外排通道对活性氧的敏感性；（3）盐胁迫下，耐盐品种OsGORK的小幅上调和OsAKT1的大幅上调。这些性状应成为提高商品水稻品种耐盐性的育种目标。

关键词：根，H -ATP酶，钾，钠，Na /H 交换剂，活性氧

引言

土壤盐渍化是全球作物生产力的主要非生物制约因素。据估计，约50%的耕地受到盐分的影响；由于全球气候变化和作物生产对低质量灌溉水的使用增加，这一比例预计会增加。

水稻（Oryza sativa）是世界上最重要的谷物作物之一，占人类饮食中总热量的20%以上。水稻植株对盐胁迫也非常敏感，由于其复杂的生理、生化和分子机制，水稻耐盐育种的进展相当缓慢。盐同时引起渗透胁迫和离子毒性胁迫，并导致各种植物营养失调和植物氧化应激。因此，根据水稻的种植地和胁迫的严重程度，植物已演化出不同的机制降低与盐相关的损害。这些机制包括渗透调节、Na 排除和隔离，以及细胞质中的K 保留、木质部离子负载的控制和氧化应激耐受。所有这些机制都应该在耐盐水稻的遗传设计中加以考虑。

Na 是盐渍化土壤中的主要有毒元素。多项研究表明，耐盐水稻品种在叶片和地上部积累的Na 少于盐敏感水稻品种。因此，育种者的主攻方向是使Na 能够从茎中排除的性状就不足为奇了。在细胞水平上，Na 从根吸收中排除是由基因盐过度敏感1（SOS1）介导的，该基因编码根表皮中的质膜（PM）局部Na /H 交换器。SOS1 Na /H 交换器的运行由PM H -ATP酶产生的质子梯度驱动。SOS1基因也被发现在根中柱中表达，在那里它可能介导木质部Na 负载。El Mahi等人报道，OsSOS1调节水稻根系对Na 的净吸收和Na 向芽的远距离运输。这导致了一个潜在的困境，因为任何通过增加SOS1转录本水平来增强Na 向根系排出的尝试都可能伴随着木质部Na 负荷增加的警告。因此，一个重要的研究问题是：水稻如何处理这一困境？水稻根系的独特解剖结构以及质外体旁路流的发生使这一点更加复杂，质外体旁路流在介导水稻中的Na 运动中起着重要作用。Tu 等人发现，与盐敏感二倍体水稻相比，耐盐四倍体水稻植株的通气组织更少，内胚层的屏障更厚，从而阻断有害离子向中柱鞘细胞的转运。在此背景下，SOS1介导的Na 从细胞质中排除是否在水稻耐盐性中发挥主要作用？

盐胁迫下根系中较高的K 保留率与许多植物物种的耐盐性呈正相关。盐胁迫导致根细胞膜显著去极化（50–80 mV，取决于胁迫的严重程度）。这种去极化激活了外向整流K 选择性（GORK）通道，并解释了几种植物的根在剧烈的盐处理时报告的大量K 损失，包括拟南芥和红树林物种。与此同时，Coskun等人得出结论，K 外流是水稻耐盐性的一个较差预测因子。然而，这一结论是通过使用间接方法估算K 外流得出的，该方法涉及放射性示踪剂42K通量分析，且依赖于与分区分析相关的几个假设。据我们所知，目前还没有对水稻根系K 保持作为耐盐组织机制组成部分的作用进行直接评估。

盐胁迫还会诱导活性氧的过度积累，从而导致氧化应激。植物根中含有大量活性氧(ROS)活化的非选择性阳离子通道。这些通道对K 具有渗透性，可能是盐胁迫下K 外排的另一个主要途径。ROS激活的钾离子通道在水稻耐盐性中的作用是什么？

通过使质膜去极化，盐胁迫也降低了或使K 吸收在热力学上不可能通过内向正态K 通道发生，增加了高亲和力K 吸收系统在K 获取中的作用。在水稻中，钾离子转运蛋白基因OsHAK1和OsHAK5受盐胁迫诱导，介导钾离子的吸收和转运，在盐胁迫下维持较高的K /Na 比值；然而，在大麦中没有观察到这一过程。这些结果表明，水稻可能具有独特的K 稳态调控途径。这些途径是什么，K 的保留在水稻耐盐性中发挥了什么作用？

本研究旨在回答这些问题，在3个可对比的水稻品种中研究这些机制对耐盐性的相对贡献。结合电生理[无创微电极离子通量估算(MIFE)技术]和分子[定量反转录PCR (qRT-PCR)]方法，我们探索了这些品种对盐胁迫响应差异的细胞类型特异性机制。我们的数据表明，K 的保留在水稻耐盐性状的遗传变异中发挥着重要作用，并通过转录水平和功能水平上多种机制的协调调控。

  1. 材料和方法

2.1 植物材料、生长条件和胁迫处理

本研究使用了三种不同的水稻品种，Koshihikari、Doongara和Reiziq。Koshihikari是一种粳稻基因型，而Reiziq和Doongara是澳大利亚的商业籼稻品种。种子从西悉尼大学获得，并在位于霍巴特的塔斯马尼亚农业研究所的一个温室中大量繁殖。种子在去离子水中于28℃的生长室中黑暗条件下发芽2天。然后将均匀发芽的种子转移到水培系统（温度：28℃/25℃（白天/晚上）；光周期：14h/10h）中，用国际水稻研究所营养溶液培养生长3周。然后，通过向水培溶液中添加0、50和100 mM NaCl，对幼苗进行盐胁迫处理。溶液每3天换一次。在盐分中暴露15天后，测量水稻的农艺性状，并对水稻进行取样，以分析根和茎中的离子含量。

2.2 根长、株高和植物生物量的测量

根长和株高用直尺测量。鲜重（FW）在切割后立即用电子天平测定。然后用去离子水清洗新鲜样品，并在70℃下干燥至恒重（DW）。各植物的含水率(WC)为WC=(FWminus;DW)/(FW)times;100。

2.3 叶绿素含量和荧光测量

使用SPAD-502叶绿素仪对叶片叶绿素含量进行量化。从第一片完全发育的叶片的中部进行测量。使用OS-30p便携式叶绿素荧光仪（Opti Science Inc.，Tyngsboro，MA，USA），在与土壤-植物分析开发（SPAD）相同的叶片上进行叶绿素荧光测量。测量前，叶片暗适应20分钟。记录初始（Fo）、可变（Fv）和最大（Fm）叶绿素荧光特征。然后将PSII的光化学效率计算为Fv/Fm之比。

2.4 组织Na 和K 含量

将干燥的水稻根茎样品磨成粉末，用98%的H2SO4–30%的H2O2消化。用蒸馏水稀释消化后的样品，并使用火焰光度计（PFP7）测定Na 和K 含量。根到地上部的Na 转运系数的计算为根中Na 含量除以地上部Na 含量。

2.5 根系活力染色及解剖学分析

用100 mM NaCl处理5日龄水稻幼苗48h，然后采集初生根进行活力染色和解剖分析。使用Chakraborty等人描述的荧光素二乙酸酯（FDA）-碘化丙啶（PI）双染色法测定根细胞的活力。根细胞活力由绿色荧光信号的相对强度表示，计算公式为：CTCF=积分密度minus;（选定区域times;背景平均强度）。在距根尖1.5 mm处切除根横截面。采用石蜡包埋法进行根的切片，并用光学显微镜观察根的解剖结构（BX51；日本东京奥林巴斯）。

2.6 MIFE无创离子通量测量

使用无创微电极MIFE技术测量H 、K 和Na 的净通量。MIFE测量和离子选择性微电极制造与校准过程的理论已经在前面介绍过。水稻种子在30℃的黑暗生长室中，在带有去离子水的培养皿中发芽。2天后，发芽的种子在装有碱性溶液培养基（BSM:0.5 mM KCl、0.1 mM CaCl2、0.2 mM NaCl）的容器内的滤纸卷中生长3天。根长40-60 mm的水稻植株用于离子通量测量。对于每种处理，净离子通量是从至少六个单独根的伸长区（距根尖1200–1500micro;m）和成熟（距根尖1.2–1.5 cm）区测量的。

2.7 瞬态离子通量动力学

在测量之前，将水稻根系水平固定在含有30毫升BSM溶液的测量室中30min，茎在空气中，根-茎连接处低于溶液水平。测量在室温（23plusmn;1℃）下进行。首先在BSM溶液中测量5min的净离子通量，以记录稳态初始通量值。然后给药适当的测试溶液（100 mM NaCl或10 mM H2O2），然后再测量30分钟的瞬态离子通量反应。选择H2O2（10 mM）作为生理相关处理（例如，一种通常在盐碱化的根组织中发现的浓度），包括水稻。延迟2分钟是因为用适当的处理溶液替换测量室中的BSM溶液，以达到MIFE测量所需的非搅拌层，因此在图中显示为间隙。根据记录的电压输出，使用MIFEFLUX软件计算离子净通量，假设根为圆柱形，如其他地方所述。

2.8 水稻根系Na /Hlt;

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