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NMT作為生命科學底層核心技術，是建立活體創新科研平臺的*技術。2005年~2020年，NMT已扎根中國15年。2020年，中國NMT銷往瑞士蘇黎世大學，正式打開歐洲市場。

基本信息

主題：NMT發現鹽脅迫下耐鹽楊樹根吸氧更多促線粒體呼吸以激活H+泵促排Na+

期刊：Tree Physiology

影響因子：3.665

研究使用平臺：NMT植物耐鹽創新平臺

標題：NaCl-altered oxygen flux profiles and H+-ATPase activity in roots of two contrasting poplar species

作者：北京林業大學陳少良、馬秀英、鄧晨、李金克

檢測離子/分子指標

O2，Na+，H+

檢測樣品

胡楊（Poplus euphratica）、群眾楊（Poplus popularis）的根，距根尖100、600、1100、1600、2100、2600、10000、10500、11000、11500、12000、12500 μm根表上的點。

中文摘要（谷歌機翻）

維持線粒體呼吸對于H+泵ATP在鹽脅迫下排出Na+至關重要。本文研究了NaCl脅迫對胡楊（耐鹽）和群眾楊35-44（鹽敏感）O2吸收、線粒體呼吸和H+-ATPase活性的影響。與群眾楊相比，胡楊根系在NaCl脅迫（150 mM）下表現出更強的Na+外排能力。用Pb(NO3)2染色進行的細胞化學分析表明，在長期（LT）增加鹽脅迫（50~200 mM NaCl, 4周）的過程中，胡楊根細胞比鹽敏感的楊樹保留了更高的H+水解活性。質子泵的長期持續激活需要通過有氧呼吸來提供持久的能量（ATP）。利用非損傷微測技術（NMT）對鹽脅迫下根系O2吸收的種類、空間和時間差異進行了研究。雖然鹽誘導的O2瞬態動態變化與高滲沖擊（255 mM甘露醇）引起的O2的劇烈下降有明顯區別，但胡楊在NaCl實時處理（150 mM）時的吸氧量下降幅度小于群眾楊。短期（ST）處理（150 mM NaCl, 24 h）刺激了胡楊根系O2的內流，LT處理胡楊根系O2的內流速率沿根軸增加，而群眾楊的根系O2內流速率則隨鹽度的增加而下降。在ST和LT脅迫期間，高濃度NaCl（150、200 mM）處理下，O2內流速率的空間定位表明，根尖區比伸長區更易受到影響。藥理學實驗表明，當線粒體呼吸抑制劑NaN3抑制O2的吸收時，鹽漬化的根中的Na+外排和H+-ATPase活性會受到相應的抑制。因此研究認為，穩定的線粒體呼吸使胡楊根細胞的H+-ATPase能在鹽環境下維持Na+穩態。

離子/分子流實驗處理

1. 150 mM NaCl或255 mM等滲甘露醇實時處理。

2. 短期脅迫（ST）：150 mM NaCl脅迫24 h。

3. ST脅迫之后，2 mM NaN3（線粒體呼吸抑制劑）處理20 min。

4. 長期脅迫（LT）：NaCl濃度從50 mM開始，每周增加50 mM，最后一周達到200 mM。

離子/分子流實驗結果

利用NMT在通常觀察到峰值的根尖區和伸長區檢測O2流速。流速數據顯示，兩種楊樹根系均有O2的凈流入，但群眾楊的流速比胡楊的流速大30~42 pmol cm-2s-1（圖1）。根尖區（距根尖0.1~2.6 mm）O2內流速率大于伸長區（距葉尖10.0~12.5 mm, 圖1）。

圖1. 胡楊和群眾楊根尖區和伸長區O2內流。

在距根尖1.1 mm的根尖區檢測O2流速對NaCl或高滲脅迫（甘露醇）的響應。NaCl（150 mM）的加入使兩種楊樹的O2流速立即降低，且隨著鹽脅迫時間的延長，流速逐漸降低（圖2A）。與耐鹽楊樹相比，鹽敏感的群眾楊O2內流速率下降的更為明顯（圖2A, B）。NaCl實時脅迫10 min后胡楊O2流速趨于穩定，而群眾楊O2流速持續下降，直至觀察時間結束（圖2A）。

高滲處理的楊樹根系O2實時動態變化與NaCl實時處理的根系不同。在受到255 mM甘露醇引起的等滲脅迫后，胡楊和群眾楊的O2內流立即減少48~57%，隨后在記錄期間內保持恒定（圖2C）。實時流速數據顯示，高滲處理對O2內流產生了比鹽離子更明顯的限制作用（圖2B, D）。

圖2. NaCl和高滲脅迫實時處理對胡楊和群眾楊根部O2實時動態變化的影響。

150 mM NaCl 短期（ST, 24 h）處理后，胡楊根系穩態O2流速的模式與群眾楊不同。研究觀察到ST處理后的胡楊根系氧內流速率增加（圖3A）。在群眾楊根系中，NaCl處理降低了根尖區的O2流速，但在伸長區的O2流速變化不明顯（圖3B）。為確定鹽刺激的胡楊根系O2內流是否是線粒體呼吸被激活的結果，采用線粒體呼吸抑制劑NaN3抑制細胞色素途徑。抑制劑NaN3顯著降低了NaCl脅迫下胡楊根中O2的內流（圖3C），表明ST處理激活了胡楊根細胞的線粒體呼吸。抑制劑NaN3能夠顯著降低ST處理下群眾楊根系中O2的內流速率（圖3D），表明植物的線粒體呼吸受到嚴重抑制。

圖3. NaCl和線粒體呼吸抑制劑（NaN3）對胡楊和群眾楊根部穩態O2流速的影響。

群眾楊是一種鹽敏感樹種，因此在4周的處理中以50、100、150、200 mM遞增的方式增加鹽分。 在增加鹽分處理期間每周檢查穩態O2流速。胡楊和群眾楊在50 mM NaCl脅迫1周后，沿根軸O2內流速率增加，盡管耐鹽楊樹受到了更明顯的刺激（圖4A, B）。然而，在第2周100 mM NaCl脅迫下，群眾楊不存在鹽刺激的O2吸收（圖4D）。本研究注意到，暴露在較高鹽度下，即第3周150 mM NaCl和第4周200 mM NaCl，引起了群眾楊中O2內流速率的顯著下降，且這種影響在根尖區更為明顯（圖4F, H）。與鹽敏感楊樹相比，在鹽脅迫期間，胡楊表現出沿根軸的O2內流增加，但刺激效果隨鹽度的增加而下降（圖4A, C, E, G） 。

圖4. 長期增加NaCl對胡楊和群眾楊根部O2流速的影響。

木本植物和草本植物的耐鹽性在很大程度上是由Na+從細胞質中排出所介導的。為證實鹽環境下胡楊根細胞穩定的線粒體呼吸是否能激活H+-ATPase以維持Na+穩態，本研究在鹽脅迫下，檢測了線粒體呼吸抑制劑NaN3對Na+外排和體內H+-ATPase活性的影響。NaCl（150 mM, 24 h）引起兩種楊樹根尖Na+外排顯著增加（圖5A）。值得注意的是，在NaCl處理下胡楊根系的Na+外排速率明顯高于群眾楊（圖5A）。然而，抑制劑NaN3顯著降低了NaCl脅迫下根系Na+外排速率（圖5A），表明線粒體呼吸受到抑制后，Na+外排減少。在無鹽對照條件下，NaN3沒有明顯改變Na+流速，這在兩種楊樹中幾乎無法檢測到（圖5A）。

用NMT研究了NaCl脅迫下根中PM H+-ATPase的活性。NaCl處理（150 mM, 24 h）使H+的凈內流速率在兩個楊樹根系中增加（圖5B），這是Na+/H+跨PM逆向轉運所致的（圖5A, B）。NaN3增加了鹽刺激下的H+內流（圖5B），而抑制劑處理的根系中沒有相應的增加Na+外排（圖5A）。因此，抑制劑引起的H+內流主要是由質膜H+-ATPase產生的H+外排減少引起的。此外，NaN3導致兩種楊樹對照根中H+內流的增加（圖5B），這是由于抑制劑處理下根中H+泵活性降低所致。

圖5. NaCl和線粒體呼吸抑制劑（NaN3）對胡楊和群眾楊根系Na+和H+穩態流速的影響。

圖6. 植物根部檢測圖

其他實驗結果

• 50 mM NaCl處理1周后，群眾楊根部的整體呼吸量增加。然而，隨著NaCl濃度和鹽脅迫時間的增加，群眾楊根部的呼吸速率呈下降趨勢。與群眾楊相反，NaCl處理的胡楊根的呼吸速率在處理1周后明顯增加，在隨后的3周鹽脅迫中仍比對照植物高36~44%。
• 細胞化學染色結果顯示，鹽脅迫1周后，胡楊和群眾楊皮層細胞的質膜中染色強度增加。然而，在高NaCl處理的最后2周（150, 200 mM），群眾楊細胞中H+-ATPase的活性明顯下降。與群眾楊樹相比，胡楊根細胞在高鹽處理期間保持了H+-ATPase的活性。

結論

氧流速數據表明，在實時鹽脅迫、ST和LT鹽脅迫下，胡楊根系表現出較強的維持線粒體呼吸的能力。在鹽環境下，穩定的線粒體呼吸使胡楊根細胞的H+-ATPase能在鹽環境下維持Na+穩態。

測試液

O2：0.1 mM CaCl2, 0.5 mM KCl, pH 6.0

Na+、H+：0.5 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, 0.1 mM NaCl, 2.5% sucrose, pH 5.8

儀器采購信息

• 據中關村NMT產業聯盟了解，北京林業大學于2009年采購了美國揚格公司的非損傷微測系統。