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基本信息

主題：NMT發現內源氫提升質子泵及Na-H逆向轉運體活性促植物耐鹽

期刊：Plant Cell & Environment

影響因子：6.362

研究使用平臺：NMT植物耐鹽創新平臺

標題：Molecular hydrogen-induced salinity tolerance requires melatonin signalling inArabidopsis thaliana

作者：南京農業大學沈文飚、蘇久廠

檢測離子/分子指標

Na⁺、K⁺、H⁺

檢測樣品

擬南芥根（距根尖400 μm根表上的點）

褪黑素（MT）在鹽分脅迫耐受性中發揮積極作用。但是，調節MT的上游信號組件知之甚少。在這里，我們報告內源性MT在擬南芥的鹽度響應中作用于分子氫（H₂）的下游。來自萊茵衣藻的富氫水的添加和hydroase1基因（CrHYD1）的表達增加了內源性H₂和MT水平，并提高了耐鹽性。沒有血清素N-乙酰基轉移酶基因（SNAT）時，未觀察到這些結果。H₂增加了野生型和CrHYD1品系中SNAT轉錄物的水平，其中Na⁺/K⁺比率較低，而離子運輸相關基因轉錄物的水平較高。在atsnat/CrHYD1-4雜交種中未觀察到這些變化。在CrHYD1植物中觀察到的MT依賴性Na⁺外排增加，至少部分是由于跨質膜的Na⁺/H⁺逆向轉運增強所致。在atsnat/CrHYD1-4雜交種中，內源性H₂誘導的MT依賴離子和氧化還原穩態的調節受到損害。綜上所述，這些結果表明，MT誘導的鹽度耐受性是由H₂信號級聯誘導的，該信號級聯響應鹽度調節離子和氧化還原穩態。

離子/分子流實驗處理方法

5日齡擬南芥幼苗，

① 135 mM NaCl處理2 d

② 135 mM NaCl實時處理

③ 500 μM原釩酸鹽（PM H⁺-ATPase抑制劑）處理30 min

④ 100 μM阿米洛利（Na⁺/H⁺逆向轉運蛋白抑制劑）處理30 min

在對照條件下，WT、CrHYD1-3、CrHYD1-4、atsnat/CrHYD1-4和atsnat幼苗之間的凈Na⁺、H⁺和K⁺流速差異不顯著（圖1A-C）。在NaCl脅迫下，CrHYD1-3和CrHYD1-4植株根系Na⁺外排速率和H⁺內流速率均高于WT（圖1A, B）。同時，atsnat/CrHYD1-4雜交種與WT的Na⁺外排速率和H⁺內流速率變化差異不顯著。相反，atsnat根中的Na⁺外排速率和H⁺內流速率低于atsnat/CrHYD1-4雜交種和WT。研究還觀察到CrHYD1-3和CrHYD1-4植株的根表現出比WT更低的凈K⁺外排速率（圖1C），而atsnat/CrHYD1-4根中的K⁺外排速率與WT相同。與WT和atsnat/CrHYD1-4相比，在atsnat根中也觀察到更高的凈K⁺外排速率（圖1C）。

接下來，研究監測了鹽脅迫對擬南芥根系實時K⁺流速的影響。如圖1D所示，與WT相比，CrHYD1-3和CrHYD1-4的實時K⁺流速對NaCl實時處理的敏感性較低。但是，atsnat/CrHYD1-4的實時K⁺外排速率與WT相似。相反，與atsnat/CrHYD1-4和WT植物相比，atsnat突變體具有更高的實時K⁺外排速率。另外，NaCl實時處理期間根系中K⁺流速的平均值也顯示出類似的趨勢（圖1E）。綜上，褪黑素（Melatonin，MT）可能在鹽脅迫下對內源性H₂誘導的離子轉運起積極的調節作用。

圖1. 幼苗根系穩態和實時離子流速的變化情況

在NaCl脅迫下，檢測了質膜轉運體抑制劑對WT，CrHYD1-3，CrHYD1-4，assnat/CrHYD1-4和atsnat幼苗根中Na⁺、H⁺或K⁺流速的影響。當NaCl處理的根用原釩酸鹽或阿米洛利處理時，尤其是阿米洛利對Na⁺外排的抑制更為明顯（圖2A）。類似地，H⁺內流被原釩酸鹽或阿米洛利阻斷，尤其是原釩酸鹽（圖2B）。這些結果表明MT介導的Na⁺外排，部分通過Na⁺/H⁺逆向轉運蛋白穿過質膜，對內源性H₂誘導的耐鹽性起重要作用。同樣，上述結果也表明，在擬南芥內源性H₂誘導的鹽耐受性中，液泡Na⁺區隔化的能力增加，并通過MT誘導的定位于液泡膜的Na⁺/H⁺逆向轉運體表達得到證實。一些研究報道表明，鹽誘導的K⁺流速由PM H⁺-ATPase介導。此外，Na⁺/H⁺逆向轉運體也可能介導鹽脅迫下的K⁺運輸。在本研究中，原釩酸鹽和阿米洛利不同程度地增加了NaCl脅迫下擬南芥的K⁺外排速率（圖2C）。

圖2. NaCl脅迫下原釩酸鹽和阿米洛利對Na⁺、H⁺和K⁺凈流速的影響

其他實驗結果

• MT在內源性H₂介導的擬南芥耐鹽性中起下游信號分子的作用。

• MT在內源性H₂誘導的離子穩態中發揮作用，對耐鹽性具有積極作用。

• MT介導的抗氧化防御是擬南芥內源H₂誘導的耐鹽性所必需的。

結論

這項研究的結果表明，在涉及內源性H₂和MT的網絡中，這些參與者調節離子和氧化還原穩態，終增強耐鹽性（圖3）。該研究表明，內源性H₂引發的SNAT依賴性MT的產生，至少有一部分是耐鹽性所必需的。內源性H₂是如何調控MT的合成的，目前仍未*了解。響應鹽脅迫，H₂和MT均可用于脅迫誘導的信號傳導途徑，其他共享的轉導成分可能在替代途徑上發揮積極的調節作用。所以，應探討內源H₂提高植物耐鹽性的其他下游信號。針對這一問題，還需要進一步研究。

圖3. 擬南芥幼苗耐鹽模型的建立：內源H₂和MT之間的相互作用

測試液

0.1 mM CaCl₂, 0.1 mM KCl, 0.1 mM NaCl, 0.3 mM MES, pH 6.5