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4月8日,某研究所将NMT技术应用于钙信号研究,测试样品为小麦,测试指标为Ca2+,在旭月研究院完成实验。| 5月9号,某研究院将NMT技术应用于逆境生理领域,测试样品为黄瓜幼苗,测试指标为NO3-、NH4+,在旭月研究院完成实验。| 6月2号,某研究院将NMT技术应用于逆境胁迫领域,测试样品为棉花苗,测试指标为Ca2+、H+、K+、Na+、IAA,在旭月研究院完成实验。| 6月5号,某研究院将NMT技术应用于植物逆境领域,测试样品为苜蓿,测试指标为K+,在旭月研究院完成实验。| 6月9号,某研究所将NMT技术应用于水稻逆境领域,测试样品为水稻,测试指标为Na+、Ca2+,在中国科学院植物研究所完成实验。| 6月11号,某研究院将NMT技术应用于植物抗逆领域,测试样品为酵母细胞,测试指标为IAA,在旭月研究院完成实验。| 6月16号,某高校将NMT技术应用于昆虫研究,测试样品为昆虫,测试指标为Ca2+、K+,在旭月研究院完成实验。| 6月19号,某研究院将NMT技术应用于植物抗逆领域,测试样品为拟南芥,测试指标为Ca2+,在旭月研究院完成实验。|

Chemosphere厦大郑海雷:NMT发现高Cd下龙葵吸铵硝速率变化大 为镉调节N转运蛋白和APQs表达改变N吸收偏好提供证据


 

基本信息

主题:NMT发现Cd胁迫促进龙葵吸NH4+为Cd通过调节N转运蛋白和APQs基因表达改变龙葵对N素吸收偏好性提供证据

期刊:Chemosphere

影响因子:8.943

研究使用平台:NMT重金属胁迫创新平台

标题:Cadmium promotes the absorption of ammonium in hyperaccumulator Solanum nigrum L. mediated by ammonium transporters and aquaporins

作者:厦门大学郑海雷、张露丹
获奖情况:该成果获得2022年度“中关村优秀NMT成果奖”二等奖

NMT文章作者点击申奖

 

检测离子/分子指标

Cd2+、NO3-、NH4+

 

检测样品

龙葵根(分生区和伸长区)

 

 

中文摘要

 

镉(Cd)是一种有毒的重金属,影响植物的正常生长。NO3-和NH4+是植物吸收的主要无机氮(N)形式。然而,Cd胁迫下氮的吸收和调控机制尚不清楚。研究发现:(1)Cd处理影响龙葵幼苗根系的生物量、根长和根分生区Cd2+流速。同时,通过非损伤微测技术(NMT)测定了Cd处理条件下龙葵根生区和伸长区NO3-和NH4+流速。结果表明,与0和5 μM Cd处理相比,50 μM Cd显著抑制了NO3-内流,增加了NH4+内流;(2)qRT-PCR分析表明,50 μM Cd抑制了SnNRT2;4SnNRT2;4-like基因的表达,增加了SnAMT1;2SnAMT1;3在根部的表达;(3)在NH4+供应下,50 μM Cd显著诱导水通道蛋白基因SnPIP1;5SnPIP2;7SnTIP2;1的表达。50 μM Cd处理通过上调NH4+转运蛋白和水通道蛋白的基因表达来促进NH4+的吸收,总体来讲,50 μM Cd处理会影响龙葵对不同氮营养的偏好。

 

 

离子/分子流实验处理方法

镉Cd2+:14天的龙葵幼苗在0、5、25、50和100 μM CdCl2下处理1天
NO3-、NH4+:14天的龙葵幼苗在0、5、25、50和100 μM CdCl2下处理4天;50 μM
CdCl2实时处理;25 μM HgCl2实时处理

 

 

离子/分子流实验结果

之前的研究结果表明,Cd2+在龙葵根部分生区内流速率最高。本研究使用NMT检测不同浓度的Cd处理对龙葵根生区流速的影响。Cd2+在5 μM和25 μM Cd处理下表现出净内流,约为5pico mole cm-2·s-1。在50 μM Cd下,Cd2+内流显著增加,约为17 pico mole cm-2·s-1。而在100 μM Cd处理下Cd2+明显外排。综上所述,与5 μM Cd相比,50 μM Cd处理显著增加了Cd2+的流入,抑制了龙葵幼苗的生长(图1)。

图1. 不同CdCl2处理对龙葵根部分生区Cd2+流速的影响。负值代表Cd2+吸收,正值代表Cd2+外排。

 

为探讨Cd对不同根组织中NO3-和NH4+吸收的影响,采用NMT测定了不同根组织中NO3-和NH4+的流速。如图2A所示,NO3-在根分生区表现出净内流,达到200 pico mole cm-2·s-1。在根冠、伸长区和成熟区,NO3-表现出显著的外排。不同的是,NH4+在根冠和分生区表现出外排,在伸长区表现出显著的内流,达到180 pico mole cm-2·s-1,在成熟区存在微弱的NH4+内流(图2B)。对根尖离子流速的观察表明,NO3-内流主要发生在分生区,而NH4+内流主要出现在伸长区。

图2. 龙葵根不同生区NO3-和NH4+流速。负值代表吸收,正值代表外排。

 

研究进一步检测了实时添加50 μM CdCl2时,龙葵根分生区和伸长区的NO3-和NH4+流速。随着处理时间的增加,NO3-的内流逐渐减弱并达到稳定状态(图3A和3B)。稳定后,NO3-在分生区和伸长区表现出外排,分别接近55-65和250-280 pico mole cm-2·s-1。实验结果表明,Cd的瞬时添加抑制了NO3-在分生区和伸长区的内流。添加50 μMCdCl2导致分生区和伸长区中NH4+快速外排(图3C和3D)。随着处理时间的增加,NH4+外排逐渐减弱并达到稳定状态。稳定后,NH4+在分生区出现外排,达到60-80 pico mole cm-2·s-1(图3C),而NH4+在伸长区出现净内流,达到320-340 pico mole cm-2·s-1(图3D)。这些结果表明,Cd的瞬时添加促进了NH4+在分生区和伸长区的内流。

图3. CdCl2瞬时处理对龙葵根部分生区和伸长区NO3-和NH4+流速的影响。负值代表吸收,正值代表外排。

 

采用NMT测定不同Cd浓度(0、5和50 μM CdCl2)处理14日龄龙葵幼苗4 d后,根分生区和伸长区的NO3-和NH4+流速。实验结果表明,5 μM Cd处理下的分生区和伸长区NO3-流速平均值与对照无显著差异(图4A和B)。此外,50 μM Cd处理对伸长区NO3-外排的平均值没有显著影响(图2B)。而在分生区,50 μM Cd处理的NO3-内流速率与对照相比降低了约76%(图2A)。对于NH4+流速,5 μM Cd处理下的分生区和伸长区与对照相比无显著差异(图2C和D)。然而,与对照组相比,50 μM Cd处理显著抑制了分生区72%的NH4+外排,增强了伸长区36%的NH4+内流(图4C和D)。简而言之,这些结果表明,与对照组和5 μM Cd处理相比,50 μM Cd处理抑制了分生区NO3-的内流,促进了分生区和伸长区NH4+的内流。

图4. Cd处理对龙葵根分生区和伸长区NO3-和NH4+流速的影响。负值代表吸收,正值代表外排。

 

水通道蛋白不仅通过调节蒸腾作用来调节N的吸收,而且还具有转运N的功能。本研究测定了水通道蛋白特异性抑制剂HgCl2(25 μM)瞬间处理下的NO3-和NH4+流速,以验证水通道蛋白与龙葵根吸收N的关系。如图5A和5C所示,HgCl2的加入导致NO3-和NH4+在分生区短暂而快速的流入。随着处理时间的延长,内流逐渐减弱,最终达到稳定状态。对于伸长区,添加HgCl2导致NO3-和NH4+外排速率增加(图5B和5D)。更重要的是,HgCl2的加入使NH4+的内流变为外排(图5D)。实验结果表明,25 μM HgCl2显著抑制了分生区NO3-的吸收和伸长区NH4+的吸收,且HgCl2对NH4+吸收的影响大于对NO3-吸收的影响。

图5. HgCl2实时处理对龙葵根NO3-和NH4+流速的影响。负值代表吸收,正值代表外排。

 

 

其他实验结果

 

  • 与0和5 μM CdCl2处理相比,50 μM Cd显著降低龙葵根部和地上部中NO3-的含量,增加了根部NH4+的含量。

  • 50 μM CdCl2抑制了根部SnNRT2;4-like基因的表达,增加了地上部SnAMT1;2的表达和SnAMT1;3在根部的表达。

  • 50 μM CdCl2 处理促进了根部SnTIP2;1的表达。

 

结论

与0和5 μM CdCl2处理相比,50 μM CdCl2胁迫抑制了龙葵NO3-的吸收,促进NH4+的吸收。表明高Cd胁迫可以改变龙葵对氮素吸收的偏好,这是由于50 μM CdCl2处理调节了氮转运蛋白和水通道蛋白基因表达。一方面,50 μM Cd胁迫降低了SnNRT2;4SnNRT2;4-like的表达,增加了SnAMT1;2SnAMT1;3的表达;另一方面,50 μM Cd胁迫增加了NH4+供给条件下SnPIP1;5SnPIP2;7SnTIP2;1的表达。而添加水通道蛋白特异性抑制剂HgCl2显著抑制了NH4+的吸收,说明水通道蛋白在高Cd胁迫下对N的吸收起重要作用。本研究为高Cd胁迫对超累积植物龙葵对不同氮素营养偏好的影响提供了线索。

 

 

测试液

 

0/5/25/50/100 μM CdCl2, pH 6.0

0/5/50 μM CdCl2, 2 mM NaNO3, pH 6.0

0/5/50 μM CdCl2, 2 mM NH4Cl, pH 6.0

 

 

NMT仪器信息

 

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统


文章原文:https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136031

 

供稿:张露丹

编辑:叶斌,刘兆义

 

关键词:NH4+内流;Cd;SnTIP2;1SnAMT1;3;龙葵;植物类