PCE中国农科院作物所、阿德莱德大学：GmSALT3通过两种不同机制诱导植物排Na+排Cl-响应盐胁迫

感谢本文一作，中国农科院作物所关荣霞研究员校稿

基本信息

主题：GmSALT3通过两种不同机制诱导植物排Na⁺排Cl^-响应盐胁迫

期刊：Plant Cell and Environment

影响因子：6.362

研究使用平台：NMT植物耐盐创新平台

标题：Soybean CHX-type ion transport protein GmSALT3 confers leaf Na⁺ exclusion via a root derived mechanism, and Cl^- exclusion via a shoot derived process

作者：中国农科院作物所关荣霞，阿德莱德大学Yue Qu

通讯作者：中国农科院作物所邱丽娟，阿德莱德大学Stefanie Wege、Matthew Gilliham

检测离子/分子指标

K⁺、Na⁺、Cl^-

检测样品

爪蟾卵母细胞

中文摘要

大豆（Glycine max）产量受包括土壤盐渍化在内的多种胁迫影响。GmSALT3（一种阳离子-质子交换蛋白）可通过调节地上部Na⁺和Cl^–外流来提高大豆耐盐性，然而，定位于ER的GmSALT3如何实现这一功能还不清楚。本研究分别利用异源系统和包含一个全长GmSALT3（NIL-T；耐盐）、一个截短转录本Gmsalt3（NIL-S；盐敏感）的近等基因系，对GmSALT3的功能进行研究。在异源系统中，GmSALT3能够恢复大肠杆菌的K⁺吸收缺陷，促进爪蟾卵母细胞中Na⁺、K⁺和Cl^–的内流和积累，而Gmsalt3却没有以上功能。对NILs的时程分析证实，地上部分Cl^–外排与Na⁺外排截然不同。嫁接实验表明，地上部分的Na⁺外排是通过基于根木质部的机制发生的；与此相反，NIL-T植株的茎木质部和韧皮部汁液中的Cl^–含量均显著高于NIL-S植株，表明地上部分Cl^–的外排可能基于新的韧皮部的Cl^–再循环机制。嫁接于NIL-S砧木上的NIL-T接穗Cl^–含量较低，证实了Cl^–再循环依赖于地上部分的GmSALT3。总之，这些发现为GmSALT3影响植物耐盐性提供了新的见解，揭示植物地上部Cl^–外排的新机制。

离子/分子流实验处理

爪蟾卵母细胞在ND96（96 mM NaCl, 1 mM KCl, 1 mM MgCl₂, 5 mM HEPES, pH 7.5）中孵育72 h

离子/分子流实验结果

研究使用非损伤微测技术（MIFE）测定卵母细胞质膜的净离子流速，结果表明，注射GmSALT3的卵母细胞与注射H₂O的卵母细胞相比，Na⁺、K⁺和Cl^-的外排减少（图1）。

图1. 爪蟾卵母细胞质膜的Na⁺、K⁺、Cl^-吸收速率。正值表示吸收，负值表示外排。

其他实验结果

·      表达GmSALT3全长使大肠杆菌中K⁺含量增加，GmSALT3-YFP、GmSALT3_TM10、AtKAT1和AtCHX20的表达也增加。

·      GmSALT3-YFP在卵母细胞中定位到PM。

·      双电极电压钳电生理学显示，在ND96培养基中培养时，注入GmSALT3的卵母细胞的静息膜电位与注入H₂O的卵母细胞相比更正，但没有发现一致的电流差异，这表明通过GmSALT3的运输可能是电中性的。

·      与注射H₂O的卵母细胞相比，注射GmSALT3的卵母细胞含有更多的K⁺、Na⁺和Cl^-。

·      GmSALT3会影响K⁺、Na⁺和Cl^-在卵母细胞中跨PM的运输。

·      使用100 mM NaCl处理发现，NIL-S地上部分、茎和叶中的Cl^-、K⁺含量更高，K⁺/Na⁺比却降低了，NIL-T叶片中的K⁺/Na⁺比在胁迫第3 d后才明显升高。

·      盐处理10 d后，NIL-T的根、茎、叶干重明显增加。

·      100 mM NaCl处理4 d后发现，Na⁺、Cl^-在NIL-S的所有气生组织中积累得更多。

·      在根部（主根和侧根），NIL-T比NIL-S积累的Cl^-多。

·      100 mM NaCl处理4 d后，检测大豆茎韧皮部和木质部汁液中的离子浓度。与NIL-T相比，NIL-S的木质部汁液中的Na⁺浓度明显更高。与叶片的数据相反，NIL-S的木质部和韧皮部汁液中的Cl^-浓度比NIL-T低。

·      对交互嫁接和自嫁接（self-grafted，对照）的植株进行100 mM NaCl处理8 d，结果发现在NIL-S砧木上嫁接NIL-T接穗，叶片Cl^-含量比自嫁接NIL-S低。相反，当NIL-S接穗嫁接到NIL-T砧木上时，叶片中Cl^-含量与自嫁接NIL-S相比差异不显著。与自接NIL-T植株相比，自接NIL-S植株的Cl^-含量要高得多。

·         TEM（透射电子显微镜）成像观察NIL-T和NIL-S韧皮部的超微结构，发现盐处理后的NIL-T和NIL-S在根系韧皮部细胞中的形态没有差异差异，表明缺乏全长GmSALT3不会破坏亚细胞形态，离子流速的变化更可能是GmSALT3诱导排盐的直接原因。

结论
综上所述，本工作对GmSALT3在植物体内和异源系统中的耐盐机制提供了进一步的认识。研究认为，在NIL-T中，全长GmSALT3通过限制Na⁺在木质部的装载介导Na⁺和Cl^-从地上部分排出，而Cl^-则通过韧皮部从地上部分重新转移回根。这是第一次发现一种蛋白质能促进植物韧皮部的Cl^-再循环，并使植物具有更好的耐盐性。本研究的数据还表明，GmSALT3是一个具有运输能力的内膜定位蛋白，但还不能说明GmSALT3通过不同细胞类型来改变不同转运过程的确切的细胞机制，这需要进一步研究。利用NIL-T和NIL-S植物进行RNA测序，可能有助于研究GmSALT3是否通过影响转录而赋予大豆耐盐性，以及在盐胁迫条件下， NIL-T和NIL-S的根部有哪些独特的途径和基因可能发生明显变化。

测试液

5 mM NaCl, 0.2 mM KCl, 0.2 mM CaCl₂, 5 mM HEPES, pH 7.5

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.13947

关键词