NRT1.1在植物响应铅胁迫中的作用及机制

发布时间：2020-07-11 01:03

【摘要】：近年来随着工业化的发展,土壤铅(Pb)的污染问题也日渐凸显。土壤中的铅可通过食物链进入人体危害健康。因此,研发有效的技术或方法减控作物的铅积累迫在眉睫。探明植物养分与铅积累之间的关系,通过生物技术手段或遗传育种途径减控作物的铅积累被认为是一种经济、环保的策略。研究发现,植物的铅吸收可能与氮素营养密切相关,但是关于氮素吸收系统在植物响应铅胁迫中的作用及其生理与分子机制尚不清楚。为此,本文以拟南芥野生型和硝酸盐转运蛋白相关突变体为材料,运用植物生理学、分子生物学等手段,研究了 NRTs在植物应答Pb2+胁迫中的作用机制。主要研究结果如下:首先采用无损伤微电极离子流量检测系统,研究了Pb2+胁迫下野生型拟南芥根系净NO3-通量的变化。结果表明,Pb2+胁迫引起野生型拟南芥根系分生区、伸长区、成熟区三个部位净NO3-流入量显著上升。进一步研究显示,Pb2+胁迫显著促进了野生型拟南芥根系中硝酸盐转运蛋白NRT1.1基因的表达,其它硝酸盐转运蛋白NRT1.2、NRT2.1、NRT2.2和NRT2.4基因的表达量则无显著变化。转基因植物pNRT1.1::NRT1.1-GFP受到Pb2+胁迫后根部NRT1.1-GFP蛋白表达水平也显著上升,而NRT1.1功能缺失突变体nrt1.1-1和chl1.5在受到Pb2+胁迫后根系三个部位净NO3-通量并无显著差异。这些结果说明Pb2+胁迫能够通过促进植物NRT1.1的活性增强根系的NO3-吸收。采用琼脂平板培养的方法,进一步研究了Pb2+胁迫对拟南芥野生型Col-0和NRT1.1功能缺失突变体nrt1.1-1和chl1.5生长状况及铅积累水平的影响。结果显示,Pb2+胁迫对nrt1.1-1和chl1.5突变体植株根系伸长量的抑制显著大于Col-0,突变体地下部和地上部铅积累量显著高于Col-0,另一NRT1.1功能缺失突变体chl1.6生长状况和铅含量结果也与之相似。对Col-0、nrt1.1-1和chl1.5三种基因型植株膜脂过氧化损伤指标(MDA含量)的测定中发现,nrt1.1-1和chl1.5突变体植株质膜损伤相比于Col-0更严重。当NRT1.1功能得到回补的pNRT1.1::NRT1.1-GFP转基因植株受到Pb2+胁迫时,其表型和铅积累水平与Col-0一致,这些结果说明NRT1.1通过抑制植物Pb2+吸收调控植物铅耐性。此外,本论文也探究了Pb2+胁迫对于其他硝酸盐转运蛋白基因突变体nrt1.2、nrt2.1、nrt2.2和nrt2.4与其对应野生型Col-0或者Ler的影响,结果显示野生型和突变体之间并无显著性差异。这些结果说明NRT1.1参与的植物耐Pb2+胁迫响应是一个相对专一的过程。基于上述结果,进一步研究了 NRT1.1在调控植物耐铅中的作用机制。结果发现,nrtl.1-1和chll.5突变体在受到Pb2+胁迫后其平板培养基根际pH显著低于Col-0,基于GEO-CHEM系统,对不同pH条件下Pb2+活度的理论计算发现pH降低导致的Pb2+有效性提高很可能是nrtl.1-1和chl1.5突变体受到更严重Pb2+毒害的原因。为此,对MES缓冲pH条件下Col-0、nrt1.1-1和chl1.5三种基因型植株受到Pb2+胁迫后的生长状况及铅积累水平也进行了测定,发现pH缓冲条件使Pb2+对nrt1.1-1和chl1.5突变体的毒害得到显著缓解,其铅积累量和根际pH相比与Col-0的差异也显著减少。这些结果说明Pb2+胁迫下植物根系NRT1.1表达上调从而抑制根际pH降低是植物具有较强铅耐性的关键机制。另外,在不同硝铵比培养基对Col-0、nrt1.1-1和chW1.5三种基因型植株受Pb2+胁迫的影响研究中发现,只有NO3-和NH4+共同供应条件下,NRT1.1调控的植物耐Pb2+胁迫才起作用。为探明NO3-在植物耐Pb2+胁迫时所起的作用,我们也研究了 Pb2+胁迫对NO3-吸收功能缺失突变体chl1.9和NO3-感应功能缺失突变体nlp7-2生长状况及铅积累量的影响,结果表明NO3-吸收过程而非信号过程参与了植物耐Pb2+胁迫的响应。综合以上结果,我们认为NRT1.1在植物耐Pb2+胁迫中的作用机制为:NO3-和NH4+共存条件下,Pb2+胁迫促进NRT1.1介导的N03-吸收,NO3-吸收消耗H+引起植物根际pH上升,从而降低根际Pb2+有效性,减少植物对铅的吸收。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q945.78
【图文】：

成熟区,伸长区,分生区,根系

．３N１铅胁迫促进根系硝酸盐吸收逡逑以往研究表明，非生物逆境胁迫往往抑制植物根系对硝酸盐的吸收（Ｍａｏ逡逑等，２０１４；邋Ｂａｉ等，２０１７）。本研究中，我们也首先评估了Ｐｂ２＋胁迫对拟南芥野逡逑生型植株Ｃｏｌ－０根系硝酸盐吸收情况的影响。植物根系ＮＣＶ通量采用无损伤微逡逑电极系统测定，该系统通过探测膜外电位变化，可以非接触地直接记录植物根逡逑系不同部位的跨膜离子流入和流出量（Ｓｈａｂａｌａ等，１９９７邋）。本实验测定了拟南逡逑芥野生型植株Ｃｏｌ－０根系沿根轴线分生区、伸长区、成熟区三个部位的跨膜净逡逑ＮＣＶ通量。结果表明，尽管Ｐｂ２＋是对植株有毒害作用的重金属离子，但在受到逡逑３００邋ｊｊＭ邋Ｐｂ２＋胁迫３邋ｄ后，植株根系３个测试部位均检测到净！＾０３＿流入增加（图逡逑３－１），即Ｐｂ２＋胁迫能促进拟南齐植株根系ＮＣＶ吸收。尤其是占根组织绝大部分逡逑的成熟区部位，其净Ｎ０３＿流入量比其它２个测试部位都高，在Ｐｂ２＋胁迫后ＮＯ；Ｔ逡逑净流入量大约是对照组的２倍。逡逑（Ａ）逦Ｍｅｒｉｓｔｅｍａｔｉｃ邋ｚｏｎｅ逦⑶邋Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ逦（0邋Ｍａｔｕｒａｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ逡逑

植株硝酸盐,野生型,基因表达,硝酸盐

结果表明，在３００邋ｐＭＰｂ２＋处理３ｄ后，仅ＮＲＴ１．１基因表达量显著增加，另逡逑外４个硝酸盐转运蛋白（ＮＲＴ１．２、ＮＲＴ２．１、ＮＲＴ２．２和ＮＲＴ２．４）基因表达量无逡逑显著性变化（图３－２邋）。这一结果表明ＮＲＴ１．１介导的Ｎ0ｒ吸收或许参与到了邋Ｐｂ２＋逡逑胁迫引起Ｎ０３＿吸收增加这一过程中。与此结果相一致

转基因植株,根部,植株,拟南芥

ｃ／ｚ／７．５和植株根系Ｎ０３＿通量的变化情况。结果表明，Ｐｂ２＋胁迫对抓７」突逡逑变体植株＃？系３个部位Ｎ０３＿净流入量无显著性影响，而在拟南芥野生型Ｃｏｌ－０植逡逑株中其影响是显著的（图３－４）。这些结杲表明Ｐｂ２＋胁迫下植物根系Ｎ０３＿吸收增逡逑加与诱导了邋ＮＲＴ１．１活性有关。逡逑（Ａ）邋Ｎｆｅｒｉｓｔｅｍａｔｉｃ邋ｚｏｎｅ逦（Ｂ）邋Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ逦（Ｃ）邋Ｍａｔｕｒａｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ逡逑Ｃｏｌ－０邋ｎｒｔｌ．１－１邋ｃｈｉ邋１．５逦Ｃｏｌ－０邋ｎｒｔｌ．１－１邋ｃｈｉ邋１．５逦Ｃｏｌ－０邋ｍ邋１．１－１邋ｃｈｉ邋１．５逡逑１邋－１００邋－邋－Ｊ逦逦｜邋－１００邋■邋ａ逦Ｉ＇１００邋＇邋丁逡逑Ｉ邋－１５０邋－逦＊邋：逦邋｜邋－１５０邋－邋丁＊邋：逦邋｜－１５０邋■逡逑Ｚ邋－２００邋－邋—邋ｃｏｎｔｒｏｌ逦２邋－２００邋■逦Ｚ－２００邋＇下逦逡逑ｚ邋？邋＿Ｐｂ逦３逦｜逦１逦＊逦？逦逡逑图３－４Ｐｂ２＋胁迫对拟南芥Ｃｏｌ－０、《ｒｒ／．７－ｉ、植株根系分生区（Ａ）、伸长区（Ｂ）、逡逑成熟区（Ｃ）净Ｎ０３＿通量的影响。４－ｄ的幼苗被移到３０0ｎＭ（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｐｂ处理和对照培养逡逑基中

【参考文献】