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第七代非損傷微測系統(tǒng)

活體生理檢測儀

【成果回顧】HvAKT2和HvHAK1通過增強(qiáng)葉肉H+穩(wěn)態(tài)提升耐旱能力

閱讀：383 發(fā)布時(shí)間：2021-8-23

基本信息

主題：HvAKT2和HvHAK1通過增強(qiáng)葉肉H⁺穩(wěn)態(tài)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(chuàng)新平臺

標(biāo)題：HvAKT2 and HvHAK1 Confer Drought Tolerance in Barley through Enhanced Leaf Mesophyll H⁺ Homeostasis

作者：浙江大學(xué)鄔飛波、馮雪，西悉尼大學(xué)、長江大學(xué)陳仲華

檢測離子/分子指標(biāo)

K⁺，H⁺，Ca²⁺

檢測樣品

大麥葉肉細(xì)胞

中文摘要

植物對K⁺的吸收通常包括由K⁺通道（AKT/KAT/KC）介導(dǎo)的低親和力機(jī)制和受HAK/KUP/KT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控的高親和力機(jī)制組成，這些機(jī)制已被廣泛的研究。然而，在適應(yīng)旱地農(nóng)業(yè)的作物中，這兩種K⁺吸收機(jī)制在耐旱性方面的進(jìn)化和遺傳機(jī)制還沒有得到充分的研究。因此本研究采用進(jìn)化生物信息學(xué)、生物技術(shù)和非損傷微測技術(shù)來確定兩個(gè)重要的K⁺轉(zhuǎn)運(yùn)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(shù)克隆了HvAKT2和HvHAK1，并對其進(jìn)行功能鑒定。在大麥品種“Golden Promise"中進(jìn)行了農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移。HvAKT2和HvHAK1均定位于質(zhì)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(dá)增強(qiáng)了K⁺的吸收和H⁺的穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致這些轉(zhuǎn)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(dá)株系HvAKT2和HvHAK1對K⁺、H⁺和Ca²⁺跨膜流速以及葉片中NO和H₂O₂的產(chǎn)生有明顯的響應(yīng)。高親和力和低親和力的K⁺吸收機(jī)制及其與H⁺穩(wěn)態(tài)的協(xié)同作用在野生大麥干旱適應(yīng)性至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)可能有助于未來在全球氣候變化中培育抗逆性強(qiáng)的谷類作物。

離子/分子流實(shí)驗(yàn)處理

1. 20% PEG瞬時(shí)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(shí)處理
2. 20% PEG預(yù)處理制備葉肉組織，用20% PEG處理0、1、12、24 h

離子/分子流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

干旱（20% PEG處理1 h）導(dǎo)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(nèi)流轉(zhuǎn)變（圖1e）。相反，與Golden Promise相比，HvAKT2和HvHAK1過表達(dá)則顯著增加了葉肉對干旱脅迫的響應(yīng)（圖1）。

圖1. 干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因大麥葉片H⁺流速的研究。負(fù)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(dá)株系）在24 h內(nèi)進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)干旱處理的植株葉片中表現(xiàn)出H⁺外排，而HvAKT2-和HvHAK1-沉默的植株在PEG誘導(dǎo)后則表現(xiàn)出的H⁺內(nèi)流（圖2b, e）。BSMV:HvHAK1植株葉片葉肉細(xì)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(dá)HvAKT2和HvHAK1的植物的葉肉組織中，PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫導(dǎo)致HvAKT2-OX和HvHAK1-OX植物的K⁺內(nèi)流速率比Golden Promise高2.6倍和1.8倍（圖2a）。在所有植物中，經(jīng)過PEG處理24 h后，K⁺內(nèi)流速率均減少，但在過表達(dá)株系中，其K⁺內(nèi)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(dǎo)的干旱處理1 h和12 h后，過表達(dá)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(xì)胞的Ca²⁺流速在干旱1 h和12 h后顯著增加（圖2c, f）。