IJMS福建农林林文雄、张志兴：NMT发现水稻通过维持根系K/Na稳态实现低温抗性
基本信息
主题：NMT发现水稻通过维持根系K/Na稳态实现低温抗逆性 为水稻耐冷机制研究提供基础
期刊：International Journal of Molecular Science
影响因子：6.208
研究使用平台：NMT温度胁迫创新平台
标题：Transcriptome Analysis of the Responses of Rice Leaves to Chilling and Subsequent Recovery
作者：福建农林大学林文雄、张志兴、李忠
获奖情况：该成果获得2022年度“中关村优秀NMT成果奖”二等奖
检测离子/分子指标
Na+、K+
检测样品
水稻根分生区
中文摘要
提高水稻苗期的耐冷性对农业研究至关重要。为了更好地了解水稻的耐冷机制，本研究对一个水稻品种Dular进行了生理检测和转录组学分析。低温抑制了水稻的叶绿素和非结构性碳水化合物（NSC）的合成，破坏了植株的离子平衡，导致水稻叶片功能受损。恢复常温处理可有效逆转冷胁迫。转录组结果显示，在三种不同的温度下鉴定出21970个基因，其中11732个基因差异表达。KEGG分析显示，差异表达基因的功能类别主要为核糖体（8.72%）、光合作用天线蛋白（7.38%）、苯丙类生物合成（11.41%）和亚油酸代谢（10.07%）。亚细胞定位显示，大部分蛋白位于叶绿体（29.30%）、胞浆（10.19%）和细胞核（10.19%）。一些参与光合作用、核糖体、苯丙类生物合成和亚油酸代谢的基因在增强水稻对低温胁迫的适应性和恢复能力方面发挥关键作用。这些研究结果为今后水稻耐冷机制的研究提供了基础。
离子/分子流实验处理方法
水稻幼苗常温状态下（CT）-低温处理24h（TR）-恢复常温处理24h（RC
离子/分子流实验结果
采用非损伤微测技术（NMT）对水稻根分生区域进行了测定。3种处理的水稻根系的离子流速有显著差异。常温下水稻根系中的K+/Na+处于稳态。冷胁迫影响了水稻根系中的离子平衡，导致K+的外排和Na+的吸收，从而破坏了K+/Na+平衡。恢复常温处理后，植株能有效抑制K+外排，同时大量排出Na+（图1）。
图1.根系离子流速情况。正值代表外排，负值代表吸收。
其他实验结果
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与CT处理相比，TR处理显著降低了Dular叶绿素a+b和类胡萝卜素含量。一方面，RC的叶绿素a+b和类胡萝卜素含量显著高于TR，但低于CT；另一方面，RC的脯氨酸含量显著低于TR处理，但高于CT 处理。RC的可溶性糖含量(SSC)和淀粉含量(SC)显著高于TR处理，低于CT处理。这些结果表明，虽然与CT处理不同，但在TR处理下叶片发生了损伤，而在RC处理下叶片恢复较快。
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在所有CT、TR和RC样本中共鉴定出21970个基因。其中，在CT、TR和RC样本中分别鉴定了20096、20177和19209个基因。此外，在CT和TR、TR和RC以及CT和RC中分别鉴定出839、733和444个基因。共有17748个基因在所有三种处理（CT、TR和RC）中同步表达。
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三种处理的主成分分析显示了转录组数据的高再现性。TR和CT样品差异显著，说明Dular的转录组在低温条件下发生了显著变化，植株受到了强烈的胁迫。然而，RC和CT样品之间的差异小于CT样品之间的差异。
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一些参与光合作用、核糖体合成、苯丙类生物合成和亚油酸代谢的基因在增强水稻对低温胁迫的适应性和恢复能力方面发挥关键作用。
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;4和SnNRT2;4-like的表达，增加了SnAMT1;2和SnAMT1;3的表达；另一方面，50 μM Cd胁迫增加了NH4+供给条件下SnPIP1;5、SnPIP2;7和SnTIP2;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
K+: 0.1mM CaCl2, 0.1mM KCl, 0.3mM MES, pH 6.0.
Na+: 0.1mM CaCl2, 0.1mM KCl, 0.1mM NaCl, 0.3mM MES, pH 6.0
NMT仪器信息
文章原文：https://doi.org/10.3390/ijms231810739
供稿：李忠
编辑：叶斌，刘兆义
关键词：温度变化；水稻；转录调控；离子平衡；生长与发展；逆境胁迫；能量代谢；胁迫水平；植物类