日本东北大学阐明植物耐盐机制,钠离子转运蛋白保护种子免受盐害
日本东北大学研究生院工学研究科的内山刚志(研究生)和石丸泰宽副教授、鱼住信之教授等人组成的研究团队与东北大学电子光理学研究中心、研究生院工学研究科量子能源工学专业、日本女子大学、环境科学技术研究所、理化学研究所、信州大学及冈山大学共同合作宣布,已明确了拟南芥(Arabidopsis thaliana)的钠离子转运蛋白(AtHKT1)保护种子形成时免受盐害的作用机制。研究团队发现,该转运蛋白在雄蕊的筛管中表达,可防止对植物有害的钠离子在雄蕊中积蓄。与相同条件下的普通植物体相比,在筛管中追加表达该转运蛋白时,盐胁迫下的产量出现增加。该成果有望应用于研究和开发耐盐性强的植物。相关研究成果已于6月2日(当地时间)刊登在国际学术期刊《Science Advances》上。
图1. 在雄蕊中发挥作用的钠离子转运蛋白(AtHKT1)(供图:东北大学)
钠离子转运蛋白(AtHKT1)在雄蕊中表达(蓝色部分)(左图),钠离子转运蛋白(AtHKT1)不起作用的植物在含盐环境中,钠离子在雄蕊中积蓄的情况(蓝色部分)(右图)。
图2. 钠离子转运蛋白(AtHKT1)与植物耐盐性的关系图(供图:东北大学)
增加韧皮部钠离子转运蛋白(AtHKT1)表达量时,含盐环境中钠离子向地上部分的导管和筛管以外组织的扩散被抑制,且植物的生长相对于普通植物得到了增强。
图3. 钠离子转运蛋白(AtHKT1)在植物中的表达和功能概念图(供图:东北大学)
AtHKT1将花的导管(雄蕊)的钠离子转运到筛管并运回根部。由此,防止在雄蕊中钠离子的过度积蓄并保护种子的形成。
钠(Na)是人体必需的元素,但对植物有害,盐害不仅会降低产量,还会导致沙漠化。由于海水的侵蚀、过度施肥和地下水的喷洒等,世界上五分之一的农田正遭受盐害的威胁。
此前,研究团队在2000年发现了拟南芥的钠离子转运蛋白(AtHKT1),在分析其结构和功能的同时,证明该转运蛋白在导管中发挥作用并与耐盐性有关。
由于该转运蛋白在根部表达较多,此前的研究都是以根部为主体进行的,但本次研究团队发现该转运蛋白在花的筛管中也有表达。
对于使该转运蛋白缺损的拟南芥(水培),在花茎开始伸长后向培养液中添加盐分,发现钠离子在雄蕊中积蓄,雄蕊的伸长被抑制,从而降低了种子产量。而普通拟南芥中没有发生这种积累。据推测,该转运蛋白通过筛管向根部转运钠离子并清除的过程中搭载钠离子,防止钠离子在雄蕊中积蓄。
此外,研究团队还进行了在拟南芥筛管中特异性追加表达该转运蛋白,并在花茎开始伸长后阶段性(30、50、75、100mM)向培养液中添加盐分的实验。
结果表明,与相同条件下的普通拟南芥相比,追加表达该转运蛋白的拟南芥的种子产量约增加了1.5倍,植物量约增加了2倍。在追加表达了该转运蛋白的拟南芥中,钠离子被保留在叶子和其他地上部分的导管和筛管周围,钠离子的扩散受到抑制。而普通的拟南芥中,钠离子扩散到了整个叶子中。
该转运蛋白也存在于其他植物中,作为其祖先的转运蛋白也存在于大肠杆菌、蓝藻和酵母等微生物中。这表明繁殖下一代的重要部位——生殖器官(花蕾)对盐的敏感性高于其他器官(如根),AtHKT1转运蛋白在雄蕊中作为防御盐胁迫的机制发挥作用,并负责缓解盐危害。
鱼住教授表示:“今后,我们将致力于阐明包括AtHKT1在内的离子转运蛋白适应环境压力的机制。”
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