【成果回顾】PCE联盟澳洲专家Sergey S：Ca2+流调节植物交叉忍耐的作用机制

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

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基本信息

主题：Ca²⁺流调节植物交叉忍耐的作用机制

期刊：Plant Cell & Environment

影响因子：6.362

研究使用平台：NMT植物免疫创新平台

标题：Plasma membrane Ca²⁺ transporters mediate virus-induced acquired resistance to oxidative stress

作者：塔斯马尼亚大学Sergey Shabala

检测离子/分子指标

Ca²⁺，K⁺

检测样品

烟草叶肉细胞

中文摘要（谷歌翻译）

本文报道了植物对氧化胁迫的获得性串联现象，并研究了介导这一现象的特定Ca²⁺运输系统的活性。Nicotiana benthamiana植物感染了Potato virus X (PVX)，并暴露于氧化性（紫外线（UV-C）或H₂O₂）胁迫下。通过综合应用一系列电生理（非损伤微测技术）、生化（Ca²⁺-和H⁺-ATPase活性）、成像（细胞内Ca²⁺浓度变化的荧光寿命成像测量）、药理学和细胞学透射电镜技术评估植物的适应性反应。病毒感染的植物有较好的能力控制紫外线诱导的细胞内无Ca²⁺的升高，防止叶绿体的结构和功能损伤。综上所述，本研究结果表明紫外线和病原体诱导的氧化胁迫之间存在高度的串联，并强调了Ca²⁺外排系统在植物获得性抵抗氧化胁迫中的关键作用。

离子/分子流实验处理

1. 5 mM H₂O₂ 处理5 min
2. 0.5 mM H₂O₂处理24 h
3. 立即（在1~1.5 min内）在UV-C下暴露
4. UV-C下暴露2 h
5. Ca²⁺渗透通道抑制剂（La3+, 1 μM；Gd3+, 50 μM）和P_2B型ATPase抑制剂（eosin yellow, 0.5 μM；erythrocin, 4 μM）处理1-1.5 h

离子/分子流实验结果

进一步的实验比较了模拟对照和PVX接种的叶肉组织对实时和长期H₂O₂处理的响应。实时5 mM H₂O₂处理引起了烟草叶肉细胞大量的净Ca²⁺吸收（图1a）。模拟对照组的Ca²⁺内流速率的峰值是PVX接种部分的两倍（P＜0.05）。同时，急性H₂O₂胁迫也引起了叶肉细胞明显的K⁺流出（图1b）。与PVX接种的样品相比，模拟对照组的外排速率显著更高（P＜0.05）。对于长时间的氧化应激处理（0.5 mM H₂O₂ 24 h）也获得了相似的结果。接种PVX的叶片正在积极地泵出Ca²⁺（净外排），而模拟对照仍显示Ca²⁺内流。细胞中K⁺的“泄漏”在被PVX接种的叶片中也有很大的衰减（在P＜0.05处显著）（图1c）。

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图1. 马铃薯X病毒（PVX）接种后叶片氧化应激耐受性增强的证据。正值表示Ca²⁺和K⁺吸收，负值表示Ca²⁺和K⁺外排。

为了区分Ca²⁺是跨膜内流还是外排的，使用非损伤微测技术对净Ca²⁺流速进行了检测。在UV胁迫后立即进行测量，20 min的UV-C处理导致烟草叶片叶肉细胞净Ca²⁺内流速率急剧增加（图2a中的灰色圆圈），特别是在光照条件下。但在2 h后， Ca²⁺净外排速率显著降低（P＜0.01）（图2a中的灰色三角形）。对照组和PVX接种的叶片之间的Ca²⁺外排的动态变化有显著的不同。PVX接种的叶片在UV处理停止后几分钟内恢复到净Ca²⁺外排，而对于未接种的对照组，从净Ca²⁺内流切换到Ca²⁺外排需要更长的时间（约15 min）（图2b）。

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图2. UVC处理后烟草叶肉细胞的净Ca²⁺流速的时间依赖性和UV-C处理20 min后叶片的Ca²⁺流速的变化。正值表示Ca²⁺吸收，负值表示Ca²⁺外排。

应用La³⁺和Gd³⁺这两种已知的Ca²⁺渗透通道抑制剂，无论是在黑暗中还是在光照条件下，都导致Ca²⁺净外排的显著转变（图3）。这进一步表明，在正常情况下，通道介导的Ca²⁺吸收是由一些基于质膜的Ca²⁺外排系统的活性所平衡的，这些抑制剂中的任何一种都对烟草中叶段的净Ca²⁺流速的大小没有显著的影响（P＜0.05）（图3）。这表明，在氧化胁迫条件下，质膜Ca²⁺-ATPase在介导Ca²⁺外排方面发挥的作用有限。

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图2. UVC处理后烟草叶肉细胞的净Ca²⁺流速的时间依赖性和UV-C处理20 min后叶片的Ca²⁺流速的变化。正值表示Ca²⁺吸收，负值表示Ca²⁺外排。

测试液

0.1 mM CaCl₂, 0.2 mM KCl, pH 5.5

文章介绍

        植物经历了某种逆境后，能提高对另一种逆境的抵抗能力，这种对不良环境之间的相互忍耐作用称为交叉忍耐（Cross-tolerance）。例如UV处理烟草提高了对花叶病毒的忍耐，臭氧处理拟南芥引起了对Pseudomonas syringae病毒的抵抗力。在这些研究中，诱导的交叉忍耐主要由ROS产生，与氧化爆发期间快速释放H₂O₂，以及与植物对无毒的病原反应有关。ROS可能作为信使激活防御基因的表达，但是在这个过程中Ca²⁺信号转导的作用不清楚。
      2011年2月，澳大利亚的Shabala等人报道了对植物氧化胁迫获得性的交叉忍耐现象，研究了Ca²⁺转运系统的活性如何调节这种现象。烟草感染了马铃薯病毒X（Potato virus X, PVX），暴露在氧化胁迫（UV-C或者H₂O₂）中，用非损伤微测技术测定了Ca²⁺和K⁺流速，结合药理学和细胞学方法研究了植物整体的适应性反应，发现植物受病毒感染后能够更好地应对UV和H₂O₂，阻止叶绿体结构和功能的损伤。Ca²⁺流是植物对病原入侵的早期反应，Ca²⁺的传递和ROS可能是控制细胞水平交叉忍耐的关键。
      这项研究说明在UV和病原诱导的氧化胁迫之间有一个高度的交叉，以及在植物对氧化胁迫获得性的忍耐中Ca²⁺外流系统的重要作用，重新提出了病毒可能有益于植物抗逆的争论。在大田中，不同的胁迫一起出现很常见，病毒增加胁迫忍耐可能对农业的发展有重要意义

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-3040.2010.02251.x

关键词：非损伤微测技术；Ca²⁺/H⁺交换体；Ca²⁺泵；叶绿体；叶肉；马铃薯病毒X；紫外线辐射