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Plantarray高通量植物生理表型平臺(tái):己糖激酶在保衛(wèi)細(xì)胞中的作用

更新時(shí)間:2022-05-11 點(diǎn)擊量:1629

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺(tái)以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺(tái)。該系統(tǒng)可持續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個(gè)植株的土壤-植物-空氣(SPAC)中的即時(shí)水流動(dòng)。直接測(cè)量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加,計(jì)算植物生理參數(shù)以及植物對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無損的方式針對(duì)植物對(duì)不同處理的反應(yīng)、預(yù)測(cè)植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力進(jìn)行定量比較,廣泛應(yīng)用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等,脅迫研究涵蓋干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、熱、冷脅迫、光脅迫以及灌溉/養(yǎng)分、CO2指示、植物健康等領(lǐng)域的研究。

氣孔由兩個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞組成,其受控運(yùn)動(dòng)使植物能夠平衡光合作用對(duì)CO2的需求和蒸騰作用損失的水分。保衛(wèi)細(xì)胞滲透壓增加導(dǎo)致氣孔打開,滲透壓降低導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。糖類在調(diào)節(jié)氣孔中的作用尚未明確。本文研究了己糖激酶 (HXK)在保衛(wèi)細(xì)胞中的作用及其對(duì)氣孔孔徑的影響。研究表明保衛(wèi)細(xì)胞中HXK的表達(dá)增加會(huì)加速氣孔閉合。研究進(jìn)一步表明這種閉合是由糖誘導(dǎo)的,并由脫落酸調(diào)節(jié)。這些發(fā)現(xiàn)支持了一種反饋抑制機(jī)制的存在,該機(jī)制由光合作用的產(chǎn)物,即蔗糖調(diào)節(jié)。當(dāng)蔗糖生產(chǎn)速度超過蔗糖加載到韌皮部的速度時(shí),多余的蔗糖被蒸騰流帶到氣孔并通過 HXK 刺激氣孔關(guān)閉,從而防止寶貴的水分流失。

關(guān)鍵詞:氣孔;保衛(wèi)細(xì)胞;己糖激酶;蔗糖;脫落酸;蒸騰作用

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圖1. 己糖激酶 (HXK) 的高表達(dá)會(huì)增強(qiáng)氣孔關(guān)閉并減少蒸騰作用

本試驗(yàn)采用不同AtHXK1表達(dá)水平的番茄品系研究HXK對(duì)番茄氣孔的影響。對(duì)HK37、HK4和HK38三種番茄品系的氣孔孔徑和氣孔導(dǎo)度進(jìn)行了測(cè)定,它們的HXK活性水平分別是野生型(WT)植株的2、5和6倍。AtHXK1表達(dá)系的氣孔密度與野生型的氣孔密度相似,但氣孔孔徑和導(dǎo)度均顯著降低,這與AtHXK1表達(dá)水平直接相關(guān)(圖1a,b)。此外,對(duì)一天中蒸騰作用的持續(xù)測(cè)量表明,在AtHXK1表達(dá)系中,單位葉面積的蒸騰速率顯著降低(圖1c),因此,單位葉面積的累積全株相對(duì)日蒸騰量(RDT)與HXK活性明顯呈負(fù)相關(guān)(圖1d)

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圖2. AtHXK1在葉片中表達(dá)時(shí)主要降低蒸騰作用

為了排除植株蒸騰作用的減少不是AtHXK1對(duì)根吸水或莖部水分運(yùn)輸抑制作用的結(jié)果,采用相互嫁接實(shí)驗(yàn),將HK4枝條嫁接在WT的根上,WT枝條嫁接在HK4的根上(圖2a)。對(duì)嫁接植物單位葉面積的蒸騰速率和累積全株相對(duì)每日蒸騰量的持續(xù)測(cè)量表明,蒸騰減少通常與HK4的枝條有關(guān),而根系的影響較?。▓D2b,c)。為了進(jìn)一步檢查HK4的莖對(duì)蒸騰作用的影響,采用三重嫁接植物,其中 HK4 中間砧木替換了 WT 植物的一部分莖(圖2d)。HK4 的中間砧木對(duì)RDT沒有影響(圖 2e),以上表明表達(dá) AtHXK1 植株蒸騰作用的減少是由于葉子蒸騰作用減少造成的,而不是根部吸水量減少或通過莖干運(yùn)輸減弱的結(jié)果。 AtHXK1對(duì)葉片蒸騰作用的這種影響表明HXK控制影響整株植物蒸騰作用的氣孔行為。


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