elemeket
absztrakt
Úgy gondolják, hogy az állandó fák kálium (K) helyzetének rövid időszakok által okozott változása a túlélés és a súlyos télhez való alkalmazkodás mechanizmusa. A cézium (Cs) és a K lokalizációja közötti kapcsolat meghatározásához modell nyárat, a T89 hibrid nyárfát használtak. Rövid nappali körülmények között a gyökéren keresztül felszívódott és a gyökérbe átvitt 137 Cs mennyisége drasztikusan csökkent, de 42 K nem. A rizoszférából történő káliumfelvételt elsősorban a KUP/HAK/KT és a CNGC transzporterek közvetítik. A nyárfákban azonban ezeket a géneket rövid távú körülmények között folyamatosan expresszálták, kivéve a KUP/HAK/KT génexpresszió enyhe növekedését hat héttel a rövid távú kezelés megkezdése után. Ezek az eredmények azt mutatták, hogy a 137 Cs felvételének elnyomását rövid napszak indukálta, de nem szabályozta a versenyképes Cs + és K + transzport. Feltételezzük, hogy a Cs + és K szállítási rendszereket külön szabályozzák a nyárfák + .
A fentiek alapján úgy gondolják, hogy a K + permeabilis transzporterek expressziója és funkciója a különböző növényfajokban és helyzetekben is szabályozza a Cs + transzlokációt. Így megvizsgáltuk a rövid hosszúság által kiváltott K lokalizációjának változása és a rizoszférából felszívódó Cs viselkedése közötti kapcsolatot. Ennek érdekében a főbb K + transzporterek 137 Cs és 42 K felhalmozódását és génexpressziós mintázatát elemeztük egy nyárfa mintával, a T89 hibrid nyárfa felhasználásával.
az eredmény
A hajtásokban a 137 Cs mennyisége rövid távú körülmények között csökkent
A Populus alba L. kontrollált növekedési ciklusú rendszerében az alsó levelek foszfátja csökkentette a hosszú távú (LD) és a rövid távú (SD) körülmények közötti átmenetet 27. Ez a változás azt sugallja, hogy léteznek mechanizmusok a foszfátok áthelyezésére az idősebbről a fiatalabb (felső) levelekre, válaszul a szezonális változásokra. Furukawa és mtsai. a jelzett Ca 2+ transzportot a gyökérből a Populus maximowiczii-ben történő lövöldözéshez az LD-ről SD 19-re történő váltás is szabályozza. Ezen tények alapján összehasonlítottuk a Cs + felszívódását a gyökérzetben és viselkedését a növény testében LD és SD körülmények között. A Cs + bevitel szezonális változásainak mérésére 137 Cs + oldatot adtunk a táptalajhoz LD3, LD9 és SD6 körülmények között (lásd a módszereket).
Az 1A. Ábra mutatja a 137 Cs lokalizációját gyökérfelvétel útján LD3, LD9 és SD6 körülmények között. Az LD3 növényekben 137 Cs teljesen lokalizálódott, és a csúcs körüli sugárzási intenzitás volt a legnagyobb. Az LD9 növények azonos korúak voltak, mint az SD6 növények, és ugyanolyan 137 Cs viselkedést mutattak, mint az LD3 növények. Az SD6 növényekben 137 Cs főleg a szárban és a gyökerekben lokalizálódott, és az összes 137 Cs tartalom alacsonyabb volt, mint más növényekben. Az LD3, LD9 és különösen az SD6 növényekben minden csomópont nagy mennyiségű 137 Cs-t mutatott. Az SD6 növények hajtásaiban a 137Cs mennyisége 36,3% -kal és 23,6% -kal alacsonyabb volt, mint az LD3 és LD9 hajtásaiban (1B. Ábra). Másrészt a gyökerekben lévő 137 Cs mennyisége mindhárom feltétel esetében hasonló volt. 137 cézium főleg (48,8%) halmozódott fel a levelekben LD3 körülmények között (1C. Ábra). LD9 körülmények között a 137C-k is nagy mértékben felhalmozódtak a levelekben (42,5%). SD6 körülmények között azonban a 137 Cs levéltartalma 32,1% volt, a legfeljebb 137 Cs-t tartalmazó szervek szárak voltak (39,7%). A hajtások esetében a 137 Cs szint alacsonyabb volt az SD6 növényekben, mint az LD3 és az LD9 esetében, de a különbség nem volt szignifikáns. A 137Cs-koncentrációk az LD3 és LD9 növényi apidokban voltak a legmagasabbak (1D. Ábra). A majmok és levelek 137 Cs koncentrációjának csökkenése SD6 körülmények között azonban szignifikáns volt, és az SD-re való átmenet elnyomta a Cs átjutását a hegyekre és levelekre.
( A ) A 137 Cs gyökér lokalizálása LD3, LD9 és SD6 körülmények között. A felső képek fényképek, az alsó képek pedig autoradiográfiák. A nyárfákat 48 órán át 137 Cs-tal kezeltük. Az autoradiográfiákban a szín kékről pirosra történő változása 137 Cs felhalmozódását jelzi. A sáv 1 cm-t jelöl. ( B ) A nyárfák 137 Cs összmennyiségének változása az SD körülményekre való áttéréskor. Az egyes fotoperiódusú nyárakat 48 órán át 137 Cs-tal kezeltük. ( C ) A cézium 137 felhalmozódása minden szervben 48 órás kezelés után LD3, LD9 és SD6 körülmények között. ( D ) Cézium-137 koncentrációk minden szervben 48 órás kezelés után LD3, LD9 és SD6 körülmények között. Három növényt teszteltünk minden fotoperiódusra. A hibasávok a szórást jelzik.
Teljes méretű kép
A kálium-42 felvétele állandó volt LD és SD körülmények között
137 Cs felvételi aktivitásvizsgálatok alapján várható volt, hogy a gyökéren keresztül felszívódó 42 K mennyiségét az SD-re való áttérés is szabályozza. A nyárgyökereket exogén 42 K-val kezeltük, és 24 órás inkubálás után 42 K mennyiséget mértünk hajtásokban és gyökerekben LD3, SD2, SD4 és SD6 körülmények között (2. ábra). A négy feltétel között nem találtunk 42 K gyökérbeli különbséget. Az SD kezdeti szakaszában a hajtásokban lévő 42 K mennyisége majdnem megegyezett az LD3-nál a hajtásokban lévő mennyiséggel. Ezzel szemben az SD6 üzemben a 42 K valamivel magasabb volt, mint a többi körülmények között, de a különbség nem volt szignifikáns. Ezek az adatok arra utalnak, hogy a rizoszférában a K iránti igény legfeljebb hat hétig nőtt vagy csökkent a nyár SD-re történő áttérésével.
A 42 K teljes mennyisége nyárfákban és gyökerekben az SD-re való áttérésben. Az egyes fotoperiodák alatti növényeket 24 órán át 42 K-val kezeltük. Három növényt teszteltünk minden fotoperiódusra. A hibasávok a szórást jelzik.
Teljes méretű kép
Az 1B. És 2. ábra összehasonlítása azt mutatja, hogy a 137 Cs felhalmozódása jelentősen csökkent SD6 körülmények között, de a 42 K felhalmozódása az SD átmenet során szinte állandó maradt. Ez a tény arra enged következtetni, hogy a hajtás Cs-szintjének csökkenését nem magyarázza a transzpiráció sebességének egyszerű csökkentése SD-körülmények között, és hogy a nyárfák fontos K + -felvételi rendszerei függetlenül szabályozhatják a Cs-ben történő felhalmozódását. Azt is gondolják, hogy a nyárfák Cs + felvételéért felelős transzporter csak korlátozottan vehet részt a K + felszívódásában, mivel alacsony Cs felhalmozódásnál nem figyelték meg a K felhalmozódásának csökkenését.
A PttHAK-szerű1-et rövid napi átmenet szabályozta
A CNGC (ciklikus nukleotidcsatorna) lehet egy nem szelektív K + csatorna, amely közvetíti a K + gyök szimplasztja 21 felvételét. Arabidopsisban az AtCNGC2 CNGC csatorna K + 32 permeabilitást mutat. A kvantitatív tulajdonság lokusz elemzése azt mutatta, hogy az AtCNGC1 összefügg a K és Cs hajtáskoncentrációkkal Arabidopsis 12, 33-ban. A P. trichocarpa-ban 9 gént választottunk ki az AtCNGC1 homológjaiként aminosav-szekvenciájuk alapján (lásd az S1B. Kiegészítő ábrát). A Proteome BLAST elemzés azt mutatta, hogy a POPTR_0012s01690 és a POPTR_0015s02090 szignifikánsan magasabb pontszámot ért el, mint mások, és az Aspen T89 hibrid ortológusait PttCNGC1-szerűnek és PttCNGC1-szerűnek nevezték el. .
Annak megállapításához, hogy melyik K + felvételhez kapcsolódó gén van a legelterjedtebb ezen öt transzporter között, értékeltük az egyes gének expressziós szintjét LD3 körülmények között. A nyár gyökereiben nem találtunk nyilvánvaló különbséget a kiválasztott gének expressziós szintjeiben (3A. Ábra). Ezen K + beáramló transzporterek expressziója redundáns lehet LD3 körülmények között. Az SD körülményekre való áttérés során a PtKUP1 expressziója nem változott szignifikánsan (3B. Ábra). A PttHAK-szerű1 stabil expressziót mutatott az SD4 körülményekre való áttérésig, és SD6 körülmények között körülbelül 1,5-szeresére emelkedett (3C. Ábra). A PttHAK-szerű2 expresszió csökkent az SD2 és SD4 növényekben, de statisztikailag stabil transzkripciós szintet tartott fenn SD átmenet révén (3D ábra). A PttCNGC1-szerű1, a PttCNGC1-szerű2 expressziója szintén viszonylag állandó SD körülmények között (3E, F ábra).
A teljes RNS-t izoláltuk a gyökérből, és a gén transzkripciós szinteket qRT-PCR-rel elemeztük. Az UBIQUTIN-t használtuk referencia génként. ( A ) A K + nyár transzport gének összehasonlítása normál növekedési körülmények között (LD3). Három növényt teszteltünk ennek az elemzésnek. A hibasávok a szórást jelzik. ( B - F ) A K + transzporttal kapcsolatos gének expressziós szintjének megváltozása SD-re való áttérésben. ( B ) PtKUP1, ( C ) PttHAK-szerű1, ( D ) PttHAK-szerű2, ( E ) PttCNGC1-szerű1 a ( F ) PttCNGC1-szerű2. Az összes génexpressziós szintet LD3 szintre normalizáltuk. A hibasávok a szórást jelzik. * Jelentős eltérést jelez az LD3 expressziós szintjétől (** + és Cs + 34). E három gén közül a GEGGTFALY domén teljesen konzerválódott, ezért nincs egyértelmű magyarázat a funkcionális divergenciára.
A szezonális átmeneteken keresztüli stabil 42 K felvétel ellenére a Cs akkumulációs aktivitását SD6 körülmények között szabályoztuk. A Cs + és K + szállítási rendszereket ezért valószínűleg külön szabályozzák a nyárfák.
vita
A kálium az egyik leggyakoribb tápanyag a növények számára. Anyagcseréhez, fotoszintézishez, trikarbonsav (TCA) ciklushoz, glikolízishez és aminosav bioszintézishez szükséges 35. Ezért nagyon fontos, hogy a növény testében elegendő mennyiségű K maradjon fenn. Például K-hiányos napraforgókban a szén-fluxus a TCA-ciklusba csökkent a széneloszlás változásai miatt 36. A káliumhiány több növényben is gátolta a cukor transzlokációját 37. Így a K mennyisége szorosan kapcsolódik a növények homeosztázisát fenntartó folyamatokhoz, például a töltésmérleghez, a pH-szabályozáshoz és az ozmotikus potenciálhoz 35. A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A találmány háttere A kálium a xilem és a phloem nedv, a Ricinus communis és a K keringés domináns anyaga. szükséges a növények növekedéséhez és fejlődéséhez 38 .
Ez a tanulmány összehasonlította a felhalmozódott 42 K és a szezonális átmenetek relatív mennyiségét. Megállapították, hogy a 42 K akkumuláció SD6-ig állandó. A rövid távú kezelés megkezdését követő négy héten belül felmerülő korongok (az adatokat nem közöljük); ezért a K újratelepítését már SD6-ban el kell kezdeni. Az eredmények azonban azt mutatták, hogy a gyökérfelvételből származó 42 K felhalmozódása és a K + gyökérfelvevő gének expressziója szinte állandó volt (2. és 3B-F. Ábra). A jelentések szerint az AtHAK5 indukcióját fokozta a K + 7, 8 vagy a Cs + alkalmazás, amikor a K + 39 érték elegendő volt. Így a PttHAK-like1 expresszió enyhe növekedése SD6-ban válasz lehet a K + éhezésre hosszú növekedési periódus alatt.
Az állandó K akkumulációs mintázat ellenére SD körülmények között a Cs felhalmozódása drasztikusan csökkent az SD6 növényekben (1A, B ábra). Úgy gondolják, hogy a céziumion felvételét és transzlokációját a növény K + transzport rendszere szabályozza, de az SD átmenet során a K + felvételhez kapcsolódó génekben nem azonosítottak lefelé irányuló szabályozást (3B-F ábra). Ismeretes, hogy a növényi ásványi anyagok felvételének mechanizmusait a fehérje aktivitásának szintje, valamint a 6. gén expressziója szabályozza. A tápanyagszállítási aktivitás további elemzésére van szükség, de ezek az eredmények arra utalnak, hogy lehetséges egy új transzporter, amely sokkal hatékonyabban hordozza a Cs + -t, mint a K + .
Mivel a Cs csökkenését csak a hajtásnál figyeltük meg (1B. Ábra), figyelmet kell fordítani azokra a transzporterekre, amelyek részt vesznek a Cs + átvitelében a xylemmel szomszédos gyökérsejtek és maguk a xylemerek között. A kálium-42 transzlokációját a gyökérből a hajtásba nem befolyásolta az SD-re való áttérés (2. ábra). Ebből következik, hogy a K + xilemterhelés nem biztos, hogy szabályozva van, és lehet egy Cs + visszavételi útvonal a xilémpéptől a gyökérsejtekig. Ezt a fajta szabályozást gondolták a Zn 2+ szállítórendszerre a gyökér xylem erek mellett, és ez a Zn2 + hajtáskoncentrációk mérgező szint alatti 40 szinten tartását szolgálhatja. Ez a mechanizmus csak akkor lenne elfogadható, ha a gyökér xylem erek közelében olyan Cs + specifikus transzporterek lennének, amelyeket még nem találtak meg.
Nem találtuk a K + szállító transzportert, amelyet nyilvánvalóan felfelé vagy lefelé szabályoznának az SD-re való áttérésben. Használtuk az Arabidopsis eFP böngészőt (//bar.utoronto.ca/efp/cgi-bin/efpWeb.cgi), amely részletes információkat nyújt az Arabidopsis gén expressziójának helyéről és különféle génindukciós tényezőkről, például szerves és szervetlen stresszorokról. A homológ Arabidopsis, az AtKUP1, az AtHAK5 és az AtCNGC1 gének expresszióját rövid távú kezelés vagy exogén abszcizinsav nem változtatja meg. Ezek az expressziós minták összhangban vannak eredményeinkkel, és arra utalnak, hogy a nyárfákban szintén szükségtelen a K + felvétel rövid napok által indukált szabályozása.
A K felhalmozódásával ellentétben a Cs felhalmozódása nem maradt állandó, hanem a nap hosszának változásával drasztikusan megváltozott. Ezért a Cs + felvétel és transzlokáció mechanizmusa eltér a nyárfák K + mechanizmusaitól. Nem határozták meg, miért csökkent a Cs felhalmozódása, de a K felhalmozódása állandó volt, amikor SD feltételekre váltottunk. Egyértelmű azonban, hogy a Cs felhalmozódását befolyásolta a fotoperiódus.
mód
Növényi anyag és növekedési körülmények
A T89 hibrid nyárfát (Populus tremula x tremuloides) (prof. B. Sundberg, Svéd Agrártudományi Egyetem, Svédország szolgáltatta) steril edényekben tenyésztettük Murashige & Skoog (MS) táptalajban, fél erősségű, könnyű és hőmérsékleten szabályozott környezet. körülmények (fény 16 óra, sötétség 8 óra, 23 ° C; fényintenzitás 37,5 μmol m-1s-1). Minden hónapban az összes növényt körülbelül öt centiméterrel levágtuk a hajtás csúcsa alatt, és újra beáztattuk friss MS táptalajba.
A nyárfák 137 Cs és 42 K eloszlásának mérése
Homológ K beáramló transzporter transzgén nukleotidszekvenciájának megszerzése
A teljes AtHAK5 (At4G13420) és AtCNGC1 (At5G53130) kódoló szekvenciákat az Arabidopsis szekvencia adatbázisból (TAIR; //www.arabidopsis.org/) kaptuk. Nyolc homológ HAK5 gént és kilenc homológ CNGC1 gént azonosítottak a növényi genomi eredetű nyárfákban (Phytozome; //phytozom.jgi.doe.gov/pz/portal.html). Az OsHAK1 (Os04g0401700) és az OsHAK5 (Os01g0930400) kódoló szekvenciáit az RAP-DB-ből azonosítottuk, (//rapdb.dna.affrc.go.jp/). A HvHAK1 kódoló szekvenciát (hozzáférési szám: AF025292) a BLAST nukleotid segítségével kerestük meg az NCBI-nél (//www.ncbi.nlm.nih.gov/).
Filogenetikai fa építése
A Populus HAK5 és CNGC1 homológok teljes hosszúságú kódoló szekvenciáit átalakítottuk aminosavszekvenciákká, majd filogenetikai fákat állítottunk elő a MEGA maximális valószínűségű módszerével (Molecular Evolutionary Genetics Analysis, ver. 5.05).
A génexpresszió elemzése
A növényi gyökereket folyékony nitrogénben gyorsfagyasztottuk, majd porkeverőn (QIAGEN, Németország) összetörtük. A teljes RNS-t az RNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN) segítségével extraháltuk. Kvantitatív valós idejű reverz transzkripciós PCR-t (qRT-PCR) az One Step SYBR PrimeScript RT-PCR Kit (Takara, Japán) és a 7300 Real Time PCR System (Applied Biosystems, USA) felhasználásával végeztünk. Három biológiai ismétlést végeztünk minden fotoperiódusra. Az ubiquitin gént (belépési szám: AF240445) használtuk referencia génként az Aspene T89 hibridben. A qRT-PCR ubiquitin primerei a következők voltak: UBIQUTIN-F (5'-TGAACCAAATGATACCATTGATAG-3 ') és UBIQUTIN-R (5'-GTAGTCGCGAGCTGTCTTG-3'). A PtKUP1, PttHAK-like1, PttHAK-like2, PttCNGC1-like1 és PttCNGC1-like2 és PttCNGC1-like2 génexpresszió-analízis primereit az 1. táblázat mutatja be. Az egyes génexpressziós szintek közötti jelentős különbségeket egyirányú ANOVA.
Asztal teljes méretben
A PttHAK-szerű1 kódoló szekvencia klónozása
A PttHAK-like1 teljes kódoló szekvenciáját klónoztuk. A teljes gyökér hibrid nyár T89-t az SD6 betakarításáig tenyésztettük, és -80 ° C-on tároltuk. A teljes RNS-t az RNeasy Plant Mini Kit alkalmazásával extraháltuk, és a kivont RNS-ből cDNS-t szintetizáltunk ReverTra Ace (TOYOBO, Japán) alkalmazásával. A PttHAK-szerű1 klónozásához használt primerek a következők voltak: PttHAK-szerű1: (5'-ATGGAAGGAGATGATGATCG-3 ') és (5'-TTAGACCATGTATGTCATCCC-3'). A teljes hosszúságú kódoló szekvenciát PrimeSTAR GXL DNS polimerázzal (Takara, Japán) amplifikáltuk, és a Wizard SV Gel és a PCR Clean-Up System (Promega, USA) alkalmazásával tisztítottuk. A PttHAK-szerű1-et TA klónozással (Promega, USA) inszertáltuk a pGEM T-Easy klónozó vektorba. A PttHAK-like1 nukleotidszekvenciáit DNS-szekvenszerrel (3130 Genetic Analyzer; Applied Biosystems, USA) és egy Big-Dye terminátor v3.1 szekvencia standard Kit (Applied Biosystems, USA) alkalmazásával határoztuk meg. A szekvenciát Finch TV-vel és BioEdit alkalmazásával elemeztük.
További részletek
Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Noda, Y. és mtsai. A cézium felszívódásának rövid távú csökkenése a nyár káliumbevitelének változása nélkül. Sci. ismétlés. 6., 38360; doi: 10.1038/srep38360 (2016).
Kiadói megjegyzés: A Springer Nature semleges marad a közzétett térképek és az intézményi kapcsolatok joghatósági állításai tekintetében.
További információ
Word dokumentumok
További képek
Hozzászólások
Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.