转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

 

 

 

 

 

 

感谢本文并列一作许飞云博士（现福建农林博后）校稿

 

基本信息

主题：NMT发现质子泵基因OSA1促水稻根排H⁺ 为OSA1促NH₄⁺吸收同化的机制提供证据

期刊：Nature Communications

影响因子：12.121

研究使用平台：NMT植物营养创新平台

标题：Plasma membrane H⁺-ATPase overexpression increases rice yield via simultaneous enhancement of nutrient uptake and photosynthesis

作者：张茂星（南农），王愔（北大），陈熙、许飞云（南农），木下俊则（通讯，名古屋大学），朱毅勇（通讯，南农）

 

检测离子/分子指标

H⁺

 

检测样品

水稻根

 

 

中文摘要（谷歌机翻）

 

       氮（N）和碳（C）是植物生长和作物产量必不可少的元素。因此，提高N和C利用率有助于提高农业生产率，减少施肥需求。本研究发现过表达水稻单一基因H⁺-ATPase（OSA1）基因，促进了根系对铵的吸收和同化，增强了的气孔开放，提高叶片的光合速率。大田实验结果表明，OSA1过表达水稻产量显著增加，氮素利用率也大幅度提升；而OSA1功能敲除的水稻突变体株系表现出与过表达水稻相反的表型。转录组测序结果表明，过表达OSA1后显著提升了植株中与碳氮代谢相关的重要基因的转录水平。由于PM H⁺-ATPase在植物中高度保守，这些发现表明调节PM H⁺-ATPase可以协同提高N和C的利用率，可能会为粮食安全和可持续农业提供至关重要的工具。这一研究为农作物养分高效利用提供了理论基础，也为减少因过度施肥造成的环境污染问题及减缓温室效应提供了新的思路。

 

 

离子/分子流实验处理

 

7日龄水稻幼苗（WT和OSA1-ox）在2 mM NH₄⁺中处理12 h

 

 

离子/分子流实验结果

 

       研究使用非损伤微测技术（NMT）检测水稻根部H⁺跨膜转运速率变化，结果发现，在2 mM NH₄⁺处理12 h后，3个OSA1过表达株系H⁺外排速率均增加，且与WT存在显著性差异（P＜0.05）。

与Kitaake相比，OsCNGC9-OE转基因株系在对冷激的响应中表现出更强的细胞外Ca²⁺内流（图2）。

 

 

图1. WT和OSA1-oxs水稻的根系H⁺外排特性。正值代表H⁺外排。

 

       过表达OSA1提供了更多的质子驱动力促进根系对铵态氮的吸收。通过将铵同化产生的H⁺及时排出细胞膜外，促进了铵态氮的同化，并进一步保障了铵的吸收。另一方面，过表达OSA1增大了叶片气孔开度，促进了二氧化碳的吸收。叶片光合作用的提高可以为氮素代谢提供更多的碳源，而氮素代谢的促进又为叶片光合作用提供更多的氮源，进而促进水稻的生长。

 

 

图2. 过表达OSA1促进水稻铵态氮利用与光合作用的作用模式图。

 

 

其他实验结果

 

• 在水稻根系和/或气孔保卫细胞中过表达PM H⁺-ATPase可有效提高NH₄⁺的吸收。
• OSA1（PM H⁺-ATPase）是调节水稻生长的关键因子。
• OSA1修饰影响水稻叶片对CO₂的吸收和/或固定。
• 水稻PM H⁺-ATPase的过表达或突变对气孔形态或发育没有影响。
• OSA1-ox植株具有较高的光合能力。
• 叶片和根部分别检测到59个和82个基因，这些基因在OSA1-ox株系中上调，但在osa1-2突变体中下调。
• OSA1在调节植物体内离子和溶质运输方面具有潜在的作用。
• NH₄⁺应答基因的表达水平在OSA1-ox株系中的表达量均显著增加。
• 过表达OSA1可以提高水稻田间产量。

 

 

测试液

 

0.2 mM CaCl₂, 0.1 mM KCl, 0.1 mM NaNO₃, 0.5 mM MES, pH 5.7

 

 

NMT实验标准化方案

 

·植物营养研究NMT标准化方案

 

 

NMT仪器信息

 

据中关村NMT产业联盟了解，南京农业大学于2018年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统

 

 

 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-20964-4

 

关键词：水稻；质子泵；质子驱动力；铵营养；氮营养；光合；植物类