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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。

感謝本文作者，中國農科院環發所王耀生研究員、李麗博士提供原文及校稿

基本信息

主題：NMT驗證干旱脅迫促大麥葉片ABA增加調節保衛細胞排K⁺吸Ca²⁺介導氣孔關閉

期刊：Environmental and Experimental Botany

影響因子：4.027

研究使用平臺：NMT水旱脅迫創新平臺

標題：In situ determination of guard cell ion flux underpins the mechanism of ABA-mediated stomatal closure in barley plants exposed to PEG-induced drought stress

作者：中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所王耀生、李麗，哥本哈根大學劉福來

檢測離子/分子指標

K⁺、Ca²⁺、H⁺

檢測樣品

大麥保衛細胞、葉肉細胞

ABA通過影響保衛細胞內的離子轉運來調節氣孔運動，但目前還缺乏ABA介導的保衛細胞離子轉運動力學的原位測量以及干旱脅迫下其他植物激素參與調節氣孔開度的研究。本研究以野生型大麥Steptoe（WT）及其相應ABA缺陷型大麥突變體Az34為材料，用10%聚乙二醇（PEG）6000處理0、2、4、24 h或9 d，模擬短期和長期干旱脅迫。采用非損傷微測技術（NMT）原位檢測保衛細胞內K⁺、H⁺和Ca²⁺流速。10% PEG處理2 h后，兩種大麥基因型葉片ABA濃度（[ABA]_葉）均顯著升高，24 h后達到最高。與對照組相比，PEG處理2 h后，兩種基因型的Ca²⁺內流均顯著增加，WT在處理4 h后達到最大值。短期干旱脅迫下，WT的[ABA]_葉的增加與K⁺外排速率和Ca²⁺內流速率的增加以及氣孔導度的降低相一致，盡管葉片IAA、GA₃和ZR的濃度均在處理4 h時增加。PEG處理24 h后WT中保衛細胞的K⁺外排明顯大于Az34。該結果闡明了ABA在介導保衛細胞離子轉運中的作用，從而調節干旱脅迫下大麥的氣孔運動。

離子/分子流實驗處理

在大麥四葉期時，10% PEG6000脅迫0、2、4、24 h或9 d，以模擬短期和長期干旱脅迫。

與對照組相比，PEG處理2 h后，兩種基因型保衛細胞的Ca²⁺內流速率均顯著增加，WT在處理4 h后達到最大值（圖1a）。PEG暴露后，WT保衛細胞的H⁺流速隨著時間的延長逐漸從外排轉為內流，而Az34保衛細胞的H⁺呈外排趨勢（圖2a）。兩種基因型的保衛細胞K⁺外排速率在PEG處理的第2、4 h均下降，但在PEG處理的第24 h較對照處理相比有所增加。PEG處理24 h后，WT保衛細胞的K⁺外排速率明顯大于Az34（圖3a）。

隨著PEG暴露時間的增加，WT葉肉細胞內Ca²⁺內流逐漸減少，Az34葉肉細胞內Ca²⁺由內流轉向外排（圖1b）。PEG處理后，WT中葉細胞的H⁺流速由外排轉為內流，隨著PEG暴露時間的增加，H⁺流入速率逐漸增加。在PEG誘導的短期干旱脅迫下，Az34葉肉細胞的H⁺內流速率顯著增加（圖2b）。此外，隨著PEG暴露時間的延長，Az34葉肉細胞的K⁺外排速率增加，24 h后達到最大值，與對照組相比，WT的K⁺外排速率在PEG處理后24 h明顯增加（圖3b）。

圖1. 短期和長期PEG處理下大麥葉片保衛細胞(a, c)和葉肉細胞(b, d)的平均Ca²⁺流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG處理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。

圖2. 短期和長期PEG處理下大麥葉片保衛細胞(a, c)和葉肉細胞(b, d)的平均H⁺流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG處理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。

PEG處理后第9 d，WT的保衛細胞Ca²⁺外排速率明顯增加，而Az34的外排速率明顯減少（圖1c）。PEG處理后第9 d，WT保衛細胞的H⁺由外排轉為內流，而Az34的H⁺外排速率明顯增加（圖2c）。PEG處理后第9 d，WT保衛細胞的K⁺外排速率明顯增加，而Az34保衛細胞的K⁺外排速率無明顯變化（圖3c）。

PEG處理后第9 d，兩種基因型的葉肉細胞Ca²⁺外排速率均顯著增加，WT的葉肉細胞Ca²⁺外排速率高于Az34（圖1d）。與對照相比，PEG處理后第9d，WT葉肉細胞中的H⁺內流速率顯著增加，而Az34的H⁺流速從外排變為內流，并且WT葉肉細胞中的H⁺內流速率高于Az34（圖2d）。與對照組相比，PEG處理后第9 d，兩種基因型的K⁺外排速率顯著增加，WT的K⁺外排速率高于Az34（圖3d）。

圖3. 短期和長期PEG處理下大麥葉片保衛細胞(a, c)和葉肉細胞(b, d)的平均K⁺流速。P0和P10表示不加或添加10 %PEG處理9 d的植株。G和P代表基因型和PEG。

圖4. 葉肉細胞K⁺檢測圖。

圖5. 保衛細胞Ca²⁺檢測圖。

其他實驗結果

• 經PEG處理后，兩種基因型的光合速率（An）、氣孔導度（gs）和蒸騰速率（Tr）在2和4 h后急劇下降，并在第24 h達到低水平；在PEG處理9 d后，兩種基因型的對照具有更高的An、Tr和Gs。

• 與對照植株相比，兩種大麥基因型在PEG處理后第2、4和24 h的WUEint（內在水分利用率）和WUEins（瞬時水分利用率）都有所增加；在PEG處理9 d后，兩種基因型的WUEins和WUEint均高于對照。

• 經PEG處理后，兩個基因型的葉水勢（LWP）和根水勢（RWP）在2、4和24 h后顯著下降。在處理第9 d，LWP和RWP受到兩種基因型和PEG處理的顯著影響。無論基因型如何，RWP均受PEG處理的影響而顯著降低。兩種基因型在沒有PEG的情況下生長時都具有相似的LWP。在長期PEG誘導的干旱脅迫下，兩個基因型的LWP都被PEG處理顯著降低。

• WT的[ABA]_葉在PEG處理后的第2和24 h比Az34高。PEG處理后，WT在第4 h觀察到[IAA]_葉、[GA3]_葉和[ZR]_葉增加，而Az34在PEG處理后的第2 h [GA3]_葉增加。

• 在PEG處理后的第9 d，WT的[IAA]_葉明顯大于對照。與對照相比，兩種基因型的 [GA3]_葉在PEG處理后第9 d時顯著減少。Az34的[ZR]_葉顯著增加，而WT的[ZR]_葉不受9 d PEG處理的影響。對照處理下，WT的[ZR]_葉高于Az34，而長期PEG誘導的干旱脅迫下，WT和Az34的[ZR]_葉無顯著差異。

兩種基因型的[ABA]_葉在PEG處理后第2 h顯著增加，第24 h達到高水平。正如預期的那樣，10% PEG脅迫WT的第2和24 h，其[ABA]_葉比Az34高。WT的[ABA]_葉與對照相比明顯增大，而Az34在PEG處理后第9 d則無此現象。PEG處理后24 h，保衛細胞的K⁺外排速率明顯大于Az34。PEG處理后24 h，保衛細胞的K⁺外排速率明顯大于Az34。與對照組相比，兩種基因型的Ca²⁺內流速率在PEG暴露2 h后均有顯著增加，WT在處理4 h后達到最大值。短期干旱脅迫下，WT[ABA]_葉的增加與K⁺外排速率和Ca²⁺內流速率的增加以及氣孔導度的降低相一致，但IAA、GA₃和ZR的濃度均在處理4 h時增加。此外，葉片葉肉中大量的H⁺內流可引起質外體堿化，促進木質部ABA向保衛細胞的轉運。這些結果為ABA在PEG誘導的干旱脅迫下介導保衛細胞離子轉運從而調控大麥氣孔運動提供了一些基礎性的見解。

測試液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na₂SO₄, pH 6.5

儀器采購信息

• 據中關村NMT產業聯盟了解，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所于2018年采購了旭月公司的非損傷微測系統。

2021版《NMT論文集》已出版

關鍵詞：干旱脅迫；離子流速；葉肉細胞；保衛細胞；植物激素；非損傷微測技術