Front Plant Sci:光照/黑暗诱导的叶肉细胞电位变化与离子流动力学相关

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

NMT作为生命科学关键核心技术,是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年,NMT已扎根中国15年。2020年,中国NMT销往瑞士苏黎世大学,正式打开欧洲市场。

 

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基本信息

主题:光照/黑暗诱导的叶肉细胞电位变化与离子流动力学相关

期刊:Frontiers in Plant Science

影响因子:4.402

标题:Illumination/Darkness-Induced Changes in Leaf Surface Potential Linked With Kinetics of Ion Fluxes

作者:中国农业大学黄岚、Jinhai Li

 

检测离子/分子指标

H+, K+, Ca2+, Cl-

 

检测样品

3周龄蚕豆幼苗最嫩的成熟叶片叶肉组织

 

中文摘要(谷歌机翻)

        通过对蚕豆(蚕豆(Vicia faba L.))叶片进行周期性的光照/黑暗刺激,可以得到高度可重现的植物电信号-光诱导生物电生成(LIB)。通过用不同浓度的NaCl刺激同一片叶子的相同位置,我们观察到LIB的幅度和波形与刺激强度相关。这种方法使我们能够将周期性光照/黑暗诱导的动态离子通量与盐胁迫联系起来。自参考非损伤微测技术用于探讨LIB的离子机理。H+,Ca2+,K+和Cl-的流速在50 mM NaCl刺激之前和之后在周期性光照/黑暗下显示出周期性变化。使用灰色关联分析来分析这些离子与LIB之间的相关性。结果表明,在周期性光照/黑暗条件下,不同离子参与不同阶段的表面电势变化。灰色关联等级反映了每个离子在特定时间段内对表面电势变化的贡献。在周期性的光照/黑暗刺激下获得的离子通量数据将有助于将来开发动态模型来解释植物细胞中的电生理事件。

 

离子/分子流实验处理方法
(1)光周期黑暗/光照交替刺激
(2)光周期黑暗/光照交替刺激+50 mM NaCl处理

 

离子/分子流结果

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图1

 

        在大多数测量周期内,H+处于外排状态(图1A)。随着黑暗到光照的转换,H+的外排量在90s内从32nmol cm-2s-1迅速增加到48nmol cm-2s-1。随着光照的延长,H+的外排量继续减少,并在进入黑暗之前达到内流状态。在暗期开始时,H+的内流量继续增加。大约30s后,H+的内流达到峰值(~2.5nmol cm-2s-1),随后减少。几分钟后,又观察到H+外排。随着黑暗的延长,H+的外排迅速增加,然后逐渐趋于稳定(约35nmol cm-2s-1)。
        与正常条件(没有NaCl胁迫作为对照)相比,在周期性光照/黑暗条件下,50mM NaCl处理显著减少了净H+的外排(图5B)。在50mM NaCl刺激下,H+内流略有增加,外排量显著减少。正常情况下,盐刺激后的离子流速在20min后会再次达到稳定状态。与盐刺激前类似,从黑暗到光照后,H+的外排量急剧增加。光照90s后,H+的外排达到峰值。随着光照的延长,H+外流持续减少,并在进入黑暗之前达到内流状态。与正常情况相比,H+内流持续时间显著延长至120s。

 

20201027 8图2

 

        在周期性光照/黑暗条件下,Ca2+也表现出与H+流速类似的变化(图2A,B)。在照明阶段开始时,净Ca2+通量逐渐从流出变为流入,并在大约4min内达到峰值(~3.9 nmol cm-2s-1),然后以更快的速度下降。在黑暗阶段开始时,Ca2+的内流持续减少,并在大约2min内变为外排,在大约4min内达到峰值。与正常条件相比,经50mM NaCl刺激后,Ca2+的跨膜转运状态发生了显著变化,Ca2+的内流显著增加(图2B)。

 

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 图3

 

        K+流速显示出周期性变化,以响应周期性光照/黑暗(图3A)。在NaCl刺激前,净K+ 流速呈内流和外排交替状态。黑暗条件下,K+外流逐渐减少,并在约3min内变为外排,光照条件下,K+外流先增加后逐渐减少。光照开始后3min左右,K+开始大量内流。在50mM NaCl刺激下,K+流速与正常条件下有显著差异(图3B)。净K+流速保持在外排状态。在黑暗阶段,K+的外排量开始减少并达到峰值(~1.7nmol cm-2s-1)。此后,随着黑暗的延长,外排逐渐增大。在光照条件下,K+外排持续增加,并在约3min内达到峰值(~4.5nmol cm-2s-1)。随着光照时间的延长,K+外排逐渐减少。

 

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                                                                                                                                                图4
        周期性光照引起净Cl-流速的周期性变化(图4A)。在光照条件下,Cl-的内流量逐渐达到最大值。此后,Cl-的内流逐渐减少。大约3min后,净Cl-流速开始外排。在黑暗条件下,Cl-的外排量持续增加并达到峰值。大约7分钟后,净Cl-流速变为内流。在周期性光照/黑暗和50 mM NaCl刺激下的净Cl-流速(图4B)不同于正常条件下(图4A)。NaCl刺激后,Cl-流速发生显著变化。在50mM NaCl的刺激下,无论在光照或黑暗条件下,都能记录到大量的Cl-流速,且其峰值内流量是盐刺激前的几倍。

其他实验结果

  • 光诱导生物电发生(light-induced bioelectrogenesis,LIB)的波形、振幅和变化与光照强度和持续时间有关。

  • NaCl浓度与光诱导叶片产生的周期性电位有关。随着NaCl浓度的增加,同一叶片产生的电位幅值显著降低。

  • 周期性的光照/黑暗变化诱导叶片产生缓慢变化的电信号。但这些波动并没有从受激叶片传播到其他叶片。

  • 在周期性光照/黑暗条件下,LIB的周期性变化涉及离子跨膜转运的动态变化。

 

结论
        通过对蚕豆(Vicia fabaL.)叶片进行周期性的光照/黑暗刺激,获得了高度可重现的植物电信号-光诱导生物电生成(LIB)。通过用不同浓度的NaCl刺激同一片叶子的相同位置,我们观察到LIB的振幅和波形与刺激强度相关。这种方法使我们能够将周期性光照/黑暗诱导的动态离子通量与盐胁迫联系起来。自参考离子电极技术用于探讨LIB的离子机理。在50 mM NaCl刺激前后,H+,Ca2+,K+和Cl-的通量在周期性光照/黑暗下显示出周期性变化。灰色关联分析用于分析这些离子与LIB之间的相关性。结果表明,在周期性光照/黑暗条件下,不同离子参与不同阶段的表面电势变化。灰色关联等级反映了每个离子在特定时间段内对表面电势变化的贡献。在周期性光照/黑暗刺激下获得的离子通量数据将有助于将来开发动态模型来解释植物细胞中的电生理事件。

离子流实验使用的测试液
2 mM KCl,1 mM CaCl2, pH 6.5
2 mM KCl,1 mM CaCl2,50 mM NaCl,pH 6.5

文章原文:https://www.researchgate.net/publication/337085217

 

关键词:电信号,膜电位,光诱导生物电生成,周期性照明/黑暗,盐胁迫,离子机制,灰色关联分析

 

 

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