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NMT驗證干旱脅迫促大麥葉片ABA增加調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞排鉀吸鈣介導(dǎo)氣孔關(guān)閉
NMT作為生命科學(xué)底層核心技術(shù)，是建立活體創(chuàng)新科研平臺的技術(shù)。2005年~2020年，NMT已扎根中國15年。2020年，中國NMT銷往瑞士蘇黎世大學(xué)，正式打開歐洲市場。
感謝本文作者，中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所王耀生研究員、李麗博士提供原文及校稿
基本信息
主題：NMT驗證干旱脅迫促大麥葉片ABA增加調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞排K+吸Ca2+介導(dǎo)氣孔關(guān)閉
期刊：Environmental and Experimental Botany
影響因子：4.027
研究使用平臺：NMT水旱脅迫創(chuàng)新平臺
標(biāo)題：In situ determination of guard cell ion flux underpins the mechanism of ABA-mediated stomatal closure in barley plants exposed to PEG-induced drought stress
作者：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所王耀生、李麗，哥本哈根大學(xué)劉福來
檢測離子/分子指標(biāo)
K+、Ca2+、H+
檢測樣品
大麥保衛(wèi)細(xì)胞、葉肉細(xì)胞
ABA通過影響保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的離子轉(zhuǎn)運來調(diào)節(jié)氣孔運動，但目前還缺乏ABA介導(dǎo)的保衛(wèi)細(xì)胞離子轉(zhuǎn)運動力學(xué)的原位測量以及干旱脅迫下其他植物激素參與調(diào)節(jié)氣孔開度的研究。本研究以野生型大麥Steptoe（WT）及其相應(yīng)ABA缺陷型大麥突變體Az34為材料，用10%聚乙二醇（PEG）6000處理0、2、4、24 h或9 d，模擬短期和長期干旱脅迫。采用非損傷微測技術(shù)（NMT）原位檢測保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)K+、H+和Ca2+流速。10% PEG處理2 h后，兩種大麥基因型葉片ABA濃度（[ABA]葉）均顯著升高，24 h后達(dá)到最高。與對照組相比，PEG處理2 h后，兩種基因型的Ca2+內(nèi)流均顯著增加，WT在處理4 h后達(dá)到最大值。短期干旱脅迫下，WT的[ABA]葉的增加與K+外排速率和Ca2+內(nèi)流速率的增加以及氣孔導(dǎo)度的降低相一致，盡管葉片IAA、GA3和ZR的濃度均在處理4 h時增加。PEG處理24 h后WT中保衛(wèi)細(xì)胞的K+外排明顯大于Az34。該結(jié)果闡明了ABA在介導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞離子轉(zhuǎn)運中的作用，從而調(diào)節(jié)干旱脅迫下大麥的氣孔運動。
離子/分子流實驗處理
在大麥四葉期時，10% PEG6000脅迫0、2、4、24 h或9 d，以模擬短期和長期干旱脅迫。
與對照組相比，PEG處理2 h后，兩種基因型保衛(wèi)細(xì)胞的Ca2+內(nèi)流速率均顯著增加，WT在處理4 h后達(dá)到最大值（圖1a）。PEG暴露后，WT保衛(wèi)細(xì)胞的H+流速隨著時間的延長逐漸從外排轉(zhuǎn)為內(nèi)流，而Az34保衛(wèi)細(xì)胞的H+呈外排趨勢（圖2a）。兩種基因型的保衛(wèi)細(xì)胞K+外排速率在PEG處理的第2、4 h均下降，但在PEG處理的第24 h較對照處理相比有所增加。PEG處理24 h后，WT保衛(wèi)細(xì)胞的K+外排速率明顯大于Az34（圖3a）。
隨著PEG暴露時間的增加，WT葉肉細(xì)胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流逐漸減少，Az34葉肉細(xì)胞內(nèi)Ca2+由內(nèi)流轉(zhuǎn)向外排（圖1b）。PEG處理后，WT中葉細(xì)胞的H+流速由外排轉(zhuǎn)為內(nèi)流，隨著PEG暴露時間的增加，H+流入速率逐漸增加。在PEG誘導(dǎo)的短期干旱脅迫下，Az34葉肉細(xì)胞的H+內(nèi)流速率顯著增加（圖2b）。此外，隨著PEG暴露時間的延長，Az34葉肉細(xì)胞的K+外排速率增加，24 h后達(dá)到最大值，與對照組相比，WT的K+外排速率在PEG處理后24 h明顯增加（圖3b）。
圖1. 短期和長期PEG處理下大麥葉片保衛(wèi)細(xì)胞(a, c)和葉肉細(xì)胞(b, d)的平均Ca2+流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG處理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。
圖2. 短期和長期PEG處理下大麥葉片保衛(wèi)細(xì)胞(a, c)和葉肉細(xì)胞(b, d)的平均H+流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG處理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。
PEG處理后第9 d，WT的保衛(wèi)細(xì)胞Ca2+外排速率明顯增加，而Az34的外排速率明顯減少（圖1c）。PEG處理后第9 d，WT保衛(wèi)細(xì)胞的H+由外排轉(zhuǎn)為內(nèi)流，而Az34的H+外排速率明顯增加（圖2c）。PEG處理后第9 d，WT保衛(wèi)細(xì)胞的K+外排速率明顯增加，而Az34保衛(wèi)細(xì)胞的K+外排速率無明顯變化（圖3c）。
PEG處理后第9 d，兩種基因型的葉肉細(xì)胞Ca2+外排速率均顯著增加，WT的葉肉細(xì)胞Ca2+外排速率高于Az34（圖1d）。與對照相比，PEG處理后第9d，WT葉肉細(xì)胞中的H+內(nèi)流速率顯著增加，而Az34的H+流速從外排變?yōu)閮?nèi)流，并且WT葉肉細(xì)胞中的H+內(nèi)流速率高于Az34（圖2d）。與對照組相比，PEG處理后第9 d，兩種基因型的K+外排速率顯著增加，WT的K+外排速率高于Az34（圖3d）。
圖3. 短期和長期PEG處理下大麥葉片保衛(wèi)細(xì)胞(a, c)和葉肉細(xì)胞(b, d)的平均K+流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG處理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。
圖4. 葉肉細(xì)胞K+檢測圖。
圖5. 保衛(wèi)細(xì)胞Ca2+檢測圖。
其他實驗結(jié)果
經(jīng)PEG處理后，兩種基因型的光合速率（An）、氣孔導(dǎo)度（gs）和蒸騰速率（Tr）在2和4 h后急劇下降，并在第24 h達(dá)到低水平；在PEG處理9 d后，兩種基因型的對照具有更高的An、Tr和Gs。
與對照植株相比，兩種大麥基因型在PEG處理后第2、4和24 h的WUEint（內(nèi)在水分利用率）和WUEins（瞬時水分利用率）都有所增加；在PEG處理9 d后，兩種基因型的WUEins和WUEint均高于對照。
經(jīng)PEG處理后，兩個基因型的葉水勢（LWP）和根水勢（RWP）在2、4和24 h后顯著下降。在處理第9 d，LWP和RWP受到兩種基因型和PEG處理的顯著影響。無論基因型如何，RWP均受PEG處理的影響而顯著降低。兩種基因型在沒有PEG的情況下生長時都具有相似的LWP。在長期PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫下，兩個基因型的LWP都被PEG處理顯著降低。
WT的[ABA]葉在PEG處理后的第2和24 h比Az34高。PEG處理后，WT在第4 h觀察到[IAA]葉、[GA3]葉和[ZR]葉增加，而Az34在PEG處理后的第2 h [GA3]葉增加。
在PEG處理后的第9 d，WT的[IAA]葉明顯大于對照。與對照相比，兩種基因型的 [GA3]葉在PEG處理后第9 d時顯著減少。Az34的[ZR]葉顯著增加，而WT的[ZR]葉不受9 d PEG處理的影響。對照處理下，WT的[ZR]葉高于Az34，而長期PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫下，WT和Az34的[ZR]葉無顯著差異。
兩種基因型的[ABA]葉在PEG處理后第2 h顯著增加，第24 h達(dá)到高水平。正如預(yù)期的那樣，10% PEG脅迫WT的第2和24 h，其[ABA]葉比Az34高。WT的[ABA]葉與對照相比明顯增大，而Az34在PEG處理后第9 d則無此現(xiàn)象。PEG處理后24 h，保衛(wèi)細(xì)胞的K+外排速率明顯大于Az34。PEG處理后24 h，保衛(wèi)細(xì)胞的K+外排速率明顯大于Az34。與對照組相比，兩種基因型的Ca2+內(nèi)流速率在PEG暴露2 h后均有顯著增加，WT在處理4 h后達(dá)到最大值。短期干旱脅迫下，WT[ABA]葉的增加與K+外排速率和Ca2+內(nèi)流速率的增加以及氣孔導(dǎo)度的降低相一致，但I(xiàn)AA、GA3和ZR的濃度均在處理4 h時增加。此外，葉片葉肉中大量的H+內(nèi)流可引起質(zhì)外體堿化，促進(jìn)木質(zhì)部ABA向保衛(wèi)細(xì)胞的轉(zhuǎn)運。這些結(jié)果為ABA在PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫下介導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞離子轉(zhuǎn)運從而調(diào)控大麥氣孔運動提供了一些基礎(chǔ)性的見解。
測試液
0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na2SO4, pH 6.5
儀器采購信息
據(jù)中關(guān)村NMT產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟了解，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所于2018年采購了旭月公司的非損傷微測系統(tǒng)。
2021版《NMT論文集》已出版
關(guān)鍵詞：干旱脅迫；離子流速；葉肉細(xì)胞；保衛(wèi)細(xì)胞；植物激素；非損傷微測技術(shù)