基本信息

主题：NMT为褪黑素改善植物耐盐能力提供直接证据

期刊：Plant Cell Environment

研究使用平台：NMT农作物耐盐创新科研平台

标题：Melatonin improves rice salinity stress tolerance by NADPH oxidase-dependent control of the plasma membrane K+transporters and K+homeostasis

作者：河南农业大学赵全志、刘娟    

 

检测指标 K+、Ca2+    

 

检测样品

1）水稻根伸长区（距根尖1.2-1.5 mm）

2）水稻根成熟区（距根尖12-15mm）

3）拟南芥伸长区（距根尖0.5 mm）

 

离子流实验处理方法    

1）预处理实验 用不同浓度的褪黑素（0、10、20、50、100μM）处理水稻根，处理时间分别为0、1、12、24、48h，然后暴露于含有100 mM NaCl的BSM溶液中1h，以达到稳定的K+外流水平。然后从根系伸长区测量稳态K+流速约2min。

2）瞬时处理实验 在对照条件下测量5分钟的净流速，然后

①盐处理（100mM NaCl），检测水稻根伸长区和成熟区的K+流速

②氧化应激处理（10 mM H2O2或0.3 mM CuCl2+1mM Na-ascorbate, Cu/A），检测水稻根伸长区的K+和Ca2+流速

③盐处理（100mM NaCl），检测拟南芥野生型Col-0，atrbohD和atrbohF突变体5日龄幼苗根系伸长区的K+流速

检测25min。

 

K+流 Ca2+流结果  

用不同浓度的褪黑素（0、10、20、50和100μM）预处理水稻根24小时，或用20μM褪黑素预处理不同的时间（0、1、12、24和48 h）。褪黑素以剂量和时间依赖的方式降低了盐诱导的水稻根部伸长区的K+流出（图1a，b）。最有效的组合是20μM褪黑素预处理24小时；这种结合用于水稻的所有进一步研究。

然后，我们研究了在褪黑素（Mel）预处理的根中瞬时NaCl处理的K+流速动力学。向容器中添加100 mM NaCl会导致水稻植物的伸长区和成熟根区大量的K+流出（图2a，c）。根区之间的K+流出量显着不同，其中伸长区中的K+流出量比成熟区中的K+流出量高一个数量级。与非褪黑素预处理（Mock）相比，褪黑素预处理显着降低了两个根部区域的盐诱导的K+流出（图2）。未经处理的根，伸长和成熟根区的平均K+流出值分别为1,529和205 nmol m-2s-1，而经过预处理的根，分别为632和78 nmol m-2s-1。所有这些结果表明，褪黑激素能够使水稻根部更好地保留K+，其中主要作用是在伸长区中观察到。

为了评估褪黑素对氧化胁迫下根系反应的影响，测量了10 mM H2O2和羟基自由基（由Cu/A混合物生成）处理前后根伸长区的瞬时K+和Ca2+流速。在伸长区，外源Cu/A（0.3/1mM）诱导大量K+外流（图3b）；用褪黑素预处理的根使其减少了近3倍。Mel预处理的根和Mock对照对10mMH2O2处理的反应无显著性差异（图3a）。

ROS引发的K+跨质膜（PM）外流通常伴随着植物根部的Ca2+内流，这种ROS诱导的Ca2+吸收量与小麦和大麦的耐盐性呈负相关。因此，我们测量了PM-Ca2+渗透通道对10mM H2O2和Cu/A的敏感性（图3）。结果反映了K+流速的结果（图5c，d）。两种处理均引起根伸长区瞬时净Ca2+吸收。褪黑素预处理已使根Ca2+渗透性离子通道对羟基自由基显着脱敏（Cu / A处理；图3d），而对10 mM H2O2处理的反应没有显著差异（图3c）。

DPI治疗显著消除了褪黑素对盐诱导的K+外流的有益影响（图2b，d）。证实了这些药理学发现，研究了在其中的ROS受到显着抑制的拟南芥突变体atrbohD和atrbohF，以评估盐分条件下褪黑素介导的K+流速在根伸长区中与特定NADPH氧化酶同工型之间的可能因果关系（图 4）。与野生型拟南芥Col-0相比，在atrbohD和atrbohF植株中，NaCl诱导的净K+流出量更大。在atrbohD和atrbohF中，褪黑素预处理对K+流速的改善作用在野生型植物（图4a）中完全消失（图4b-d）。综上所述，这些结果表明，盐胁迫下褪黑素诱导的K+保留增强需要RBOH依赖的ROS信号。

 

其他实验结果

NADPH氧化酶阻断剂DPI消除了褪黑激素的有益作用。褪黑激素分别在根尖和成熟区诱导了585个和59个差异表达基因。褪黑激素诱导根尖的几种编码呼吸爆发NADPH氧化酶（OsRBOHA和OsRBOHF），钙调神经磷酸酶B样/钙调神经磷酸酶B样相互作用蛋白激酶（OsCBL/OsCIPK）的DEG的表达增加。褪黑激素增强了钾转运蛋白基因（OsAKT1，OsHAK1和OsHAK5）的表达。

 

结论

褪黑素增强了水稻的耐盐性，是因为它具有更好的K+保留能力。盐诱导的ROS积累是植物根系K+流失增加的原因之一。氧化应激诱导的褪黑素K+外排是盐胁迫下K+保持能力增强的原因之一。同时，药理学和遗传学结果表明褪黑素调节K+稳态依赖于OsRBOHF。后者是通过褪黑素清除羟基自由基以及根部尖端的几个K+吸收转运系统（尤其是OsHAK5）的转录上调来实现的。

 

离子流实验使用的测试液

0.5 mM KCl，0.1mMCaCl2， PH5.8

 

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pce.13759

标签: Ca2+, K+, 拟南芥, 水稻, 盐胁迫