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基本信息

主題：NMT發(fā)現(xiàn)鎂通過(guò)調(diào)節(jié)IAA極性運(yùn)輸促根冠微區(qū)堿化緩解楊樹鋁毒

期刊：Plant and Soil

影響因子：3.299

研究使用平臺(tái)：NMT重金屬創(chuàng)新平臺(tái)

標(biāo)題：Magnesium alleviates aluminum toxicity by promoting polar auxin transport and distribution and root alkalization in the root apex in populus

作者：西南大學(xué)李楠楠、張圳

檢測(cè)離子/分子指標(biāo)

H⁺(pH)，IAA

檢測(cè)樣品

楊樹根
IAA：根尖（根冠至300 μm處）

H⁺(pH)：距根尖0、300、600、900、1200、1500、1800 μm根表上的點(diǎn)

中文摘要（谷歌機(jī)翻）

楊樹能耐受高濃度Al脅迫。然而，Mg減輕Al毒作用的機(jī)制尚不清楚在白楊樹上仍然是未知的。

在本研究中，提供足夠的Mg高濃度Al對(duì)楊樹的毒害作用脅迫、根表pH梯度、Mg和Al通過(guò)電生理分析、熒光染色等方法檢測(cè)根尖的攝取量，生長(zhǎng)素分布與轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)力學(xué)在根尖也檢測(cè)到了。

在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)?span style="color:rgb(0, 0, 0); font-size:14px">Mg供應(yīng)可以減輕高濃度Al對(duì)楊樹根系生長(zhǎng)的毒害。Mg促進(jìn)了楊樹根表pH梯度的升高，導(dǎo)致根系過(guò)渡帶發(fā)生堿化，防止了Al對(duì)根系伸長(zhǎng)的毒害作用。用DR5:GFP報(bào)告子測(cè)定了生長(zhǎng)素在楊樹根尖的分布。Al毒害抑制了極性生長(zhǎng)素在根過(guò)渡區(qū)的運(yùn)輸和分布，但Mg的供應(yīng)則部分緩解了這種作用。用非損傷微測(cè)技術(shù)（NMT）對(duì)生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白突變體pin-format-2（pin2）進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)，結(jié)果表明Mg通過(guò)PIN2基生長(zhǎng)素極性轉(zhuǎn)運(yùn)，調(diào)節(jié)過(guò)渡區(qū)根表堿化，減輕Al毒。mrs2突變體的轉(zhuǎn)錄組分析和酵母互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)也揭示了Mg、生長(zhǎng)素和Al之間的相同關(guān)系。

目前的研究表明，Mg促進(jìn)生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸和分布導(dǎo)致根表面pH值調(diào)節(jié)升高，以及進(jìn)一步減輕Al毒性。我們的部分結(jié)果闡明Mg的解毒作用機(jī)理木本植物中高濃度的Al。

離子/分子流實(shí)驗(yàn)處理方法

3-4周齡楊樹苗放到0.5 mM CaCl₂溶液中（pH 4.0）進(jìn)行酸適應(yīng)3 h，然后在4種不同處理下（對(duì)照、+Mg (1.5 mM)/+Al (500 μM)、-Mg/-Al、-Mg/+Al）處理2 d。

離子/分子流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用NMT技術(shù)檢測(cè)了根尖的IAA流速，結(jié)果表明，在+Al/-Mg條件下，根尖處的IAA 流速顯著低于+Al/+Mg條件下的流速（圖1）。

圖1.楊樹根尖IAA流速變化

通過(guò)NMT技術(shù)測(cè)量楊樹根軸上的表面pH值，楊樹過(guò)渡區(qū)由傳感器指示（圖2A）。在緩沖溶液適應(yīng)條件下，楊樹根系表面在+Mg/-Al條件下的pH值高于在-Mg/-Al條件下在過(guò)渡區(qū)附近的pH值（圖2B）。Al暴露3 h后，+Mg和-Mg植株沿根軸的根表面pH值存在差異（圖2C）。Al脅迫3 h后，pH峰值出現(xiàn)在300 μm左右。在根軸上，+Mg植物根表面pH值逐漸恢復(fù)到Al暴露前的狀態(tài)。然而，-Mg植物的這種能力被削弱了。Al脅迫24 h后，+Mg植株根表pH值恢復(fù)到Al處理之前的狀態(tài)。-Mg植株過(guò)渡帶根表pH值低于+Mg植株。此外，在-Mg條件下，沿根軸的根表面pH值不會(huì)恢復(fù)到-Al條件下觀察到的水平（圖2D)。

圖2. Mg缺乏和Al毒害引起根軸pH分布的變化抑制了楊樹根分生區(qū)表面的堿化

其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• Mg的供給對(duì)楊樹抗Al脅迫有緩解作用。

• 在缺Mg條件下的植物根部有更多的Al積累。另外，在沒有Al處理的情況下，在缺Mg和充足Mg條件下，Mg的累積幾乎沒有差異。然而，在Al處理下，有足夠Mg的植物根中的Mg積累明顯高于缺Mg植物。同時(shí)，在Mg供應(yīng)充足的培養(yǎng)基中，與-Al處理相比，Al脅迫下根系中Mg的累積量較少。

• Al³⁺主要分布在根尖中，Mg的存在阻止了Al在植物根系中的積累。

• 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果表明大多數(shù)與細(xì)胞壁修飾相關(guān)的基因存在差異表達(dá)。

• 檢測(cè)了兩個(gè)主要檸檬酸輸出基因PtrMATE1和PtrMATE2在楊樹中的表達(dá)水平。Al脅迫下，楊樹根尖PtrMATE1表達(dá)上調(diào)。PtrMATE2在缺Mg條件下下調(diào)，Al脅迫下下調(diào)更明顯。

• 鎂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因PtrMGT1在Mg缺乏和Al脅迫下下調(diào)，只有在Mg供應(yīng)充足和Al脅迫的情況下，PtrMGT2才顯著上調(diào)。

• Mg改善了植物生長(zhǎng)素的極性轉(zhuǎn)運(yùn)和過(guò)渡區(qū)植物生長(zhǎng)素的分布。

• Mg促進(jìn)生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸和Al脅迫下根系過(guò)渡帶表面堿化的結(jié)果在擬南芥中得到證實(shí)。

• Mg轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)在一定的Mg濃度范圍內(nèi)能在一定程度上減輕Al對(duì)植物的生長(zhǎng)抑制。

結(jié)論

本研究表明，Mg促進(jìn)生長(zhǎng)素在根尖的極性運(yùn)輸和分布，并通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)膜H⁺-ATPase的活性來(lái)改變H⁺流速，從而導(dǎo)致根表堿性化。過(guò)渡區(qū)pH值的增加減輕了Al的毒性。這些結(jié)果為外源Mg減輕植物根尖Al毒作用提供了新的解釋。

測(cè)試液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, 0.3 mM MES, pH 4.0

關(guān)鍵詞：Mg；Al耐受性；H⁺-ATPase；生長(zhǎng)素流速；楊樹