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阿德萊德大學：GmSALT3通過兩種不同機制誘導植物排鈉排氯響應鹽脅迫
感謝本文一作，中國農科院作物所關榮霞研究員校稿
基本信息
主題：GmSALT3通過兩種不同機制誘導植物排Na+排Cl-響應鹽脅迫
期刊：Plant Cell and Environment
影響因子：6.362
研究使用平臺：NMT植物耐鹽創新平臺
標題：Soybean CHX-type ion transport protein GmSALT3 confers leaf Na+ exclusion via a root derived mechanism, and Cl- exclusion via a shoot derived process
第一作者：中國農科院作物所關榮霞，阿德萊德大學Yue Qu
通訊作者：中國農科院作物所邱麗娟，阿德萊德大學Stefanie Wege、Matthew Gilliham
檢測離子/分子指標
K+、Na+、Cl-
檢測樣品
爪蟾卵母細胞
中文摘要
大豆（Glycine max）產量受包括土壤鹽漬化在內的多種脅迫影響。GmSALT3（一種陽離子-質子交換蛋白）可通過調節地上部Na+和Cl–外流來提高大豆耐鹽性，然而，定位于ER的GmSALT3如何實現這一功能還不清楚。本研究分別利用異源系統和包含一個全長GmSALT3（NIL-T；耐鹽）、一個截短轉錄本Gmsalt3（NIL-S；鹽敏感）的近等基因系，對GmSALT3的功能進行研究。在異源系統中，GmSALT3能夠恢復大腸桿菌的K+吸收缺陷，促進爪蟾卵母細胞中Na+、K+和Cl–的內流和積累，而Gmsalt3卻沒有以上功能。對NILs的時程分析證實，地上部分Cl–外排與Na+外排截然不同。嫁接實驗表明，地上部分的Na+外排是通過基于根木質部的機制發生的；與此相反，NIL-T植株的莖木質部和韌皮部汁液中的Cl–含量均顯著高于NIL-S植株，表明地上部分Cl–的外排可能基于新的韌皮部的Cl–再循環機制。嫁接于NIL-S砧木上的NIL-T接穗Cl–含量較低，證實了Cl–再循環依賴于地上部分的GmSALT3。總之，這些發現為GmSALT3影響植物耐鹽性提供了新的見解，揭示植物地上部Cl–外排的新機制。
離子/分子流實驗處理
爪蟾卵母細胞在ND96（96 mM NaCl, 1 mM KCl, 1 mM MgCl2, 5 mM HEPES, pH 7.5）中孵育72 h
離子/分子流實驗結果
研究使用非損傷微測技術（MIFE）測定卵母細胞質膜的凈離子流速，結果表明，注射GmSALT3的卵母細胞與注射H2O的卵母細胞相比，Na+、K+和Cl-的外排減少（圖1）。
圖1. 爪蟾卵母細胞質膜的Na+、K+、Cl-吸收速率。正值表示吸收，負值表示外排。
其他實驗結果
- 表達GmSALT3全長使大腸桿菌中K+含量增加，GmSALT3-YFP、GmSALT3_TM10、AtKAT1和AtCHX20的表達也增加。
- GmSALT3-YFP在卵母細胞中定位到PM。
- 雙電極電壓鉗電生理學顯示，在ND96培養基中培養時，注入GmSALT3的卵母細胞的靜息膜電位與注入H2O的卵母細胞相比更正，但沒有發現一致的電流差異，這表明通過GmSALT3的運輸可能是電中性的。
- 與注射H2O的卵母細胞相比，注射GmSALT3的卵母細胞含有更多的K+、Na+和Cl-。
- GmSALT3會影響K+、Na+和Cl-在卵母細胞中跨PM的運輸。
- 使用100 mM NaCl處理發現，NIL-S地上部分、莖和葉中的Cl-、K+含量更高，K+/Na+比卻降低了，NIL-T葉片中的K+/Na+比在脅迫第3 d后才明顯升高。
- 鹽處理10 d后，NIL-T的根、莖、葉干重明顯增加。
- 100 mM NaCl處理4 d后發現，Na+、Cl-在NIL-S的所有氣生組織中積累得更多。
- 在根部（主根和側根），NIL-T比NIL-S積累的Cl-多。
- 100 mM NaCl處理4 d后，檢測大豆莖韌皮部和木質部汁液中的離子濃度。與NIL-T相比，NIL-S的木質部汁液中的Na+濃度明顯更高。與葉片的數據相反，NIL-S的木質部和韌皮部汁液中的Cl-濃度比NIL-T低。
- 對交互嫁接和自嫁接（self-grafted，對照）的植株進行100 mM NaCl處理8 d，結果發現在NIL-S砧木上嫁接NIL-T接穗，葉片Cl-含量比自嫁接NIL-S低。相反，當NIL-S接穗嫁接到NIL-T砧木上時，葉片中Cl-含量與自嫁接NIL-S相比差異不顯著。與自接NIL-T植株相比，自接NIL-S植株的Cl-含量要高得多。
- TEM（透射電子顯微鏡）成像觀察NIL-T和NIL-S韌皮部的超微結構，發現鹽處理后的NIL-T和NIL-S在根系韌皮部細胞中的形態沒有差異差異，表明缺乏全長GmSALT3不會破壞亞細胞形態，離子流速的變化更可能是GmSALT3誘導排鹽的直接原因。
結論
綜上所述，本工作對GmSALT3在植物體內和異源系統中的耐鹽機制提供了進一步的認識。研究認為，在NIL-T中，全長GmSALT3通過限制Na+在木質部的裝載介導Na+和Cl-從地上部分排出，而Cl-則通過韌皮部從地上部分重新轉移回根。這是第一次發現一種蛋白質能促進植物韌皮部的Cl-再循環，并使植物具有更好的耐鹽性。本研究的數據還表明，GmSALT3是一個具有運輸能力的內膜定位蛋白，但還不能說明GmSALT3通過不同細胞類型來改變不同轉運過程的確切的細胞機制，這需要進一步研究。利用NIL-T和NIL-S植物進行RNA測序，可能有助于研究GmSALT3是否通過影響轉錄而賦予大豆耐鹽性，以及在鹽脅迫條件下， NIL-T和NIL-S的根部有哪些*的途徑和基因可能發生明顯變化。
測試液
5 mM NaCl, 0.2 mM KCl, 0.2 mM CaCl2, 5 mM HEPES, pH 7.5
關鍵詞：鹽耐受；非生物脅迫；大豆；GmSALT3；CHX；離子轉運體；地上部分外排