J Exp Bot南土所：NMT发现GSNOR通过调控K+稳态增强植物对铵毒的耐受性

旭月公司

2021/05/19 13:38

阅读：21

基本信息

主题：NMT发现GSNOR通过调控K⁺稳态增强植物对铵毒的耐受性

期刊：Journal of Experimental Botany

影响因子：5.908

研究使用平台：NMT植物营养创新平台

标题：Induction of S-nitrosoglutathione reductase protects root growth from ammonium toxicity by regulating potassium homeostasis in Arabidopsis and rice

作者：中科院南京土壤研究所李光杰、张琳、宋海燕

检测离子/分子指标

K⁺

检测样品

拟南芥根成熟区（距根尖~2500 μm根表上的点）

中文摘要

铵（NH₄⁺）对大多数植物的根系生长来说，在中等浓度水平下已经产生毒害作用，但根系对NH₄⁺的耐受机制依然不甚清楚。本文报道了较高浓度的NH₄⁺通过SNO1（sensitive to nitric oxide 1）/SOS4（salt overly sensitive 4）基因途径抑制K⁺的吸收，诱导NO的积累，从而抑制主根生长。NH₄⁺也促进了根系GSNOR（S-亚硝基谷胱甘肽还原酶）的积累。过表达GSNOR提高了根系对NH₄⁺的耐受性，而GSNOR的缺失会进一步诱导NO的积累，提高了SNO1/SOS4活性，从而降低了根系组织中K⁺含量，增强了根系对NH₄⁺的生长敏感性。此外，GSNOR同源基因OsGSNOR在水稻铵耐性中同样发挥相似作用。免疫印迹结果表明，铵诱导的GSNOR蛋白增加有赖于VTC1（Vitamin C1）的功能，在vtc1-1突变体中，铵对GSNOR蛋白的诱导效应完全丧失，导致根系过量的NO积累及严重的钾离子稳态失衡，对NH₄⁺毒性具有超敏性。在vtc1-1突变体中强化GSNOR基因，可以部分恢复vtc1-1突变体的铵耐性。本研究表明，GSNOR依赖于VTC1，通过抑制NO介导的组织K⁺的抑制来增加根系对NH₄⁺的耐受性。

离子/分子流实验处理

7日龄拟南芥，在0、10 mM NH₄⁺的生长培养基中培养24 h。

离子/分子流实验结果

为了评估NO在高NH₄⁺条件下对根部K⁺积累的作用，研究用NMT检测了根部表皮细胞的净K⁺流速。NH₄⁺处理减少了Col-0和nox1（NO-overproducting mutant）的净K⁺内流；然而，在对照和NH₄⁺处理下，nox1的K⁺内流都明显低于Col-0（图1），与K⁺含量分析一致。NO与K⁺含量呈负相关，表明NO参与了NH₄⁺抑制的拟南芥K⁺吸收过程。与Col-0对照组相比，NH₄⁺处理下，sno1/sos4突变体K⁺内流速率同样明显降低（图1）

图1. Col-0、nox1和sno1/sos4根系成熟区的净K⁺流速。

图2. 拟南芥根成熟区K⁺检测图

其他实验结果

NO至少部分通过增强SNO1/SOS4活性来促进NH₄⁺抑制拟南芥K⁺吸收。
nox1和sno1/sos4中的K⁺吸收量较低不是由于NH₄⁺吸收量较高所导致的。
NH₄⁺介导的NO增加和主根长的减少既不依赖于NOA1（Nitric Oxide-associated protein 1），也不依赖于NR（nitrate reductase）和NOS（NO synthase）。
NH₄⁺可以增强GSNOR蛋白的积累。
GSNOR负调控NO水平，利于根系的K⁺稳态和NH₄⁺耐受性。
VTC1参与调控GSNOR蛋白积累，但对其响应NH₄⁺的基因转录没有太大影响。
NH₄⁺在蛋白水平上调节VTC1的积累。
GSNOR在VTC1下游发挥作用，调节NO和根系对NH₄⁺的响应。
OsGSNOR有助于调节水稻根系的K⁺平衡和对NH₄⁺的耐受性。

结论

综上，研究对GSNOR积累在植物NH₄⁺耐受性中的作用提出了一个模型（图3）：在较高浓度外源NH₄⁺供应下，NH₄⁺通过“竞争”机制从K⁺通道进入组织（部分通过其他通道进入组织）。NH₄⁺诱导的NO积累不是通过传统的NR途径发生的。根部的NO水平和SNO1/SOS4明显增加，并参与抑制了NH₄⁺条件下K⁺吸收和主根生长。同时，NH₄⁺诱导的GSNOR起到补偿作用，部分拮抗铵条件下NO的过度积累，保护根系在NH₄⁺条件下的生长。虽然，NH₄⁺诱导GSNOR的确切机制仍有待解决；然而，在NH₄⁺下与VTC1相关的GSNOR蛋白调节可能是信号转导途径的一个组成部分。本研究的结果为VTC1和GSNOR如何相互作用以调节NH₄⁺耐受性提供了新见解。在水稻中也发现GSNOR调节的NH₄⁺耐受性，水稻是生长在以NH₄⁺为主要氮形态的土壤中，深入研究植物体内NH₄⁺与NO信号通路相互作用的机制，将有助于更全面地了解植物如何对不同程度的NH₄⁺胁迫做出响应，并有助于制定提高作物NH₄⁺耐受性的策略。