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基本信息

主題：HvAKT2和HvHAK1通過增強葉肉H⁺穩態提升耐旱能力

期刊：Plant Biotechnology Journal

影響因子：6.840

研究使用平臺：NMT重金屬創新平臺

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

作者：浙江大學鄔飛波、馮雪，西悉尼大學、長江大學陳仲華

檢測離子/分子指標

K⁺，H⁺，Ca²⁺

檢測樣品

大麥葉肉細胞

植物對K⁺的吸收通常包括由K⁺通道（AKT/KAT/KC）介導的低親和力機制和受HAK/KUP/KT轉運蛋白調控的高親和力機制組成，這些機制已被廣泛的研究。然而，在適應旱地農業的作物中，這兩種K⁺吸收機制在耐旱性方面的進化和遺傳機制還沒有得到充分的研究。因此本研究采用進化生物信息學、生物技術和非損傷微測技術來確定兩個重要的K⁺轉運蛋白HvAKT2和HvHAK1在大麥耐旱性中的作用。在耐旱型野生大麥XZ5中通過基因沉默（BSMV-VIGS）技術克隆了HvAKT2和HvHAK1，并對其進行功能鑒定。在大麥品種“Golden Promise"中進行了農桿菌介導的基因轉移。HvAKT2和HvHAK1均定位于質膜，對K⁺和Rb⁺的選擇性高于其他測試陽離子。HvAKT2和HvHAK1的過表達增強了K⁺的吸收和H⁺的穩態，導致這些轉基因株系具有耐旱性。此外，與野生型和沉默株系相比，過表達株系HvAKT2和HvHAK1對K⁺、H⁺和Ca²⁺跨膜流速以及葉片中NO和H₂O₂的產生有明顯的響應。高親和力和低親和力的K⁺吸收機制及其與H⁺穩態的協同作用在野生大麥干旱適應性至關重要。這些發現可能有助于未來在全球氣候變化中培育抗逆性強的谷類作物。

離子/分子流實驗處理

1. 20% PEG瞬時處理大麥葉片制備葉肉組織，測試液中平衡2 h后，用20% PEG瞬時處理
2. 20% PEG預處理制備葉肉組織，用20% PEG處理0、1、12、24 h

       干旱（20% PEG處理1 h）導致接種了BSMV:HvAKT2和BSMV:HvHAK1的干旱敏感型大麥葉片葉肉H⁺由外排向內流轉變（圖1e）。相反，與Golden Promise相比，HvAKT2和HvHAK1過表達則顯著增加了葉肉對干旱脅迫的響應（圖1）。

圖1. 干旱脅迫下轉基因大麥葉片H⁺流速的研究。負值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺外排，正值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺吸收。

然后對所有大麥品系（XZ5、沉默株系、Golden Promise和過表達株系）在24 h內進行K⁺、H⁺和Ca²⁺流速測定，以了解HvAKT2和HvHAK1在大麥抗旱性中的作用。與對照相比，在PEG誘導的干旱脅迫1 h和12 h后，沉默HvAKT2和HvHAK1株系的葉肉組織K⁺的吸收顯著降低（圖2a, d）。模擬接種的植株在對照組和PEG誘導干旱處理的植株葉片中表現出H⁺外排，而HvAKT2-和HvHAK1-沉默的植株在PEG誘導后則表現出的H⁺內流（圖2b, e）。BSMV:HvHAK1植株葉片葉肉細胞Ca²⁺流速在干旱處理1 h和12 h后顯著增加（圖2c, f）。在沉默株系的根部觀察到類似的K⁺、H⁺和Ca²⁺流速趨勢。

       在過表達HvAKT2和HvHAK1的植物的葉肉組織中，PEG誘導的干旱脅迫導致HvAKT2-OX和HvHAK1-OX植物的K⁺內流速率比Golden Promise高2.6倍和1.8倍（圖2a）。在所有植物中，經過PEG處理24 h后，K⁺內流速率均減少，但在過表達株系中，其K⁺內流速率（70~80 nmol m^-2s^-1）仍顯著高于對照（圖2a, d）。在對照和PEG誘導的干旱處理1 h和12 h后，過表達HvAKT2和HvHAK1的植物比Golden Promise保持著更顯著的H⁺外排（圖2b, e）。HvAKT2-OX植株葉片葉肉細胞的Ca²⁺流速在干旱1 h和12 h后顯著增加（圖2c, f）。

圖2. 干旱脅迫下轉基因大麥葉片離子流速的研究。負值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺外排，正值代表K⁺、H⁺和Ca²⁺吸收。

測試液

0.1 mM CaCl₂, 0.5 mM KCl, pH 5.8

儀器采購信息

據中關村NMT產業聯盟了解，浙江地區的中國水稻研究所于2016年采購了旭月（北京）科技有限公司的非損傷微測系統。

關鍵詞：植物逆境；K⁺；H⁺；Ca²⁺；干旱脅迫；葉肉