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聯盟澳洲專家：HKT1;5通過調節鈉/鉀穩態傳遞鈣信號促植物耐鹽
基本信息
主題：HKT1;5通過調節Na+/K+穩態傳遞Ca2+信號促植物耐鹽
期刊：International Journal of Molecular Sciences
影響因子：4.556
標題：Changes in Expression Level of OsHKT1;5 Alters Activity of Membrane Transporters Involved in K+ and Ca2+ Acquisition and Homeostasis in Salinized Rice Roots
作者：Sergey Shabala（塔斯馬尼亞大學、佛山科學技術學院）、Mohammad Alnayef（塔斯馬尼亞大學）
檢測離子/分子指標
K+、Ca2+、Na+
檢測樣品
水稻及其近等基因系SKC1（NIL- SKC1）根伸長區（距根尖頂端1.2 mm根表上的點）、成熟區（距根尖頂端15 mm根表上的點）、木質部薄壁細胞
中文摘要
有報道稱OsHKT1;5基因是水稻耐鹽的關鍵決定因素。該基因由SKC1基因座攜帶，其作用歸因于木質部Na+的卸載。但是沒有直接的證據能證明這個觀點。此外，SKC1在向地上部分裝載和運輸K+方面還有待解釋。本研究采用非損傷微測技術（MIFE）比較了野生型（WT）和NIL（SKC1）植物根木質部薄壁細胞Na+的吸收動力學。研究數據表明，在WT中觀察到Na+的重吸收，而在NIL（SKC1）中沒有該現象，從而研究質疑了HKT1;5作為轉運體在木質部直接清除Na+中的功能作用。相反，HKT1;5表達水平的改變了水稻表皮和中柱中K+和Ca2+吸收及穩態相關的膜轉運蛋白的活性，從而解釋了觀察到的表型。本研究的結論是，HKT1;5在植物耐鹽性中的作用不能僅僅歸因于降低木質部汁液中Na+的濃度，而是觸發了在脅迫條件下參與維持植物離子穩態和信號傳遞的其他轉運蛋白活性的復雜反饋調節。
離子/分子流實驗處理
80 mM NaCl或10 mM H2O2實時處理
離子/分子流實驗結果
研究采用非損傷微測技術（MIFE），測定了NIL（SKC1）水稻木質部薄壁組織的Na+流速。當向WT植株根中柱施加80 mM NaCl（模擬木質部汁液Na+濃度的增加）時，可測出強烈而持續的Na+吸收（圖1A, C）。從功能上講，這種吸收與根系木質部（通過HKT1;5或其他轉運系統）對Na+的重吸收是一致的。然而，在NIL（SKC1）中，這種吸收是不存在的。相反，KD株系的木質部薄壁細胞對Na+的吸收甚至比WT系略高（圖1A, C）。
然后研究檢測了NaCl處理對K+跨根木質部薄壁細胞質膜轉運的影響（圖1B, D），結果發現NaCl處理會導致三個株系都產生一個瞬時的K+外排。從功能上看，在植物體內，這相當于NaCl誘導的K+向蒸騰流中的裝載。K+外排速率的大小為NIL（SKC1）>WT>KD。
然后研究想知道改變HKT1;5表達是否會影響根表皮膜轉運蛋白的功能活性。研究首先比較了三個株系根表皮Na+的吸收模式（圖2A, B）。結果發現Na+吸收的大小為NIL（SKC1）＞WT＞KD，表明薄壁細胞的HKT1; 5表達水平的變化強烈影響根表皮對Na+的吸收。
H2O2在陽離子滲透通道對H2O2的鹽度適應性響應和敏感性中起重要作用。因此，研究比較了H2O2誘導的三種基因型根表皮Ca2+流速的大小（圖4）。與之前的研究結果類似，H2O2誘導了瞬時Ca2+內流，大小為KD>WT>NIL（SKC1）。因此，在NIL（SKC1）中過表達HKT1;5，降低了Ca2+滲透陽離子通道對H2O2的敏感性，可能影響植物感知和響應鹽脅迫的能力。
圖4. 10 mM H2O2處理下水稻根系伸長區Ca2+流速。（A）WT的根伸長區瞬時Ca2+流速。（B）NIL（SKC1）、WT和Oshkt1,5（KD）根表皮細胞Ca2+流速峰值。請注意，此圖正值表示吸收，負值表示外排。
圖5. 水稻根伸長區Ca2+流速檢測圖
其他實驗結果
- NIL（SKC1）在伸長區和成熟根區HKT1;5的表達量均顯著高于WT，并且HKT1;5的轉錄水平隨著鹽度的升高而顯著上調。
- 80 mM NaCl處理1周后，NIL（SKC1）株系表現出較為敏感的表型，與WT相比，葉片褪綠壞死比例較大，相對地上部和根系干重顯著降低。
- NIL（SKC1）植物在鹽條件下積累了較多的K+，但也有較多的Na+。后者的結果顯然與SKC1可以去除地上部分Na+的作用不符。
- 研究比較了WT和SKC1植物根系中影響植物離子穩態的一些關鍵基因表達水平的變化。多個轉運蛋白基因的表達水平存在顯著差異；這種差異也表現出強烈的時間依賴性和組織依賴性（例如，在伸長區和成熟根區有不同的響應模式）。特別是，NIL（SKC1）在對照和鹽脅迫下RBOH轉錄本的表達均有所降低（在兩個根區），而RBOHD在伸長區表達量要高得多。此外，與WT相比，在鹽脅迫下，NIL（SKC1）的GORK表達降低，而RBOHD轉錄本的表達增加。此外，兩個根區的SOS1轉錄水平都較低。
結論
總的來說本研究結果表明，由于生物體內存在多種反饋回路，利用突變體植物獲得的結果應該非常謹慎地對待，不能作為有關特定基因作用的機理證據。此外，轉錄分析和GUS染色可能具有誤導性，提供的關于特定轉運蛋白運作/功能的信息不*。因此，需要更加重視植物體的功能檢測。
測試液
0.2 mM NaCl, 0.1 mM CaCl2, 0.2 mM KCl, pH 5.5
儀器采購信息
- 據中關村NMT產業聯盟了解，佛山科學技術學院于2018年采購了旭月公司的非損傷微測系統。