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Plantarray高通量植物生理表型平台:己糖激酶在保卫细胞中的作用

发布时间:2022-05-11 点击量:112

Plantarray是一款基于称重的高通量、多传感器生理表型平台以及植物逆境生物学研究通用平台。该系统可持续、实时测量位于不同环境条件下、阵列中每个植株的土壤-植物-空气(SPAC)中的即时水流动。直接测量根系和茎叶系统水平衡和生物量增加,计算植物生理参数以及植物对动态环境的反馈。系统以有效、易用、无损的方式针对植物对不同处理的反应、预测植物生长和生产力进行定量比较,广泛应用于生物胁迫和非生物胁迫以及植物栽培加速育种研究等,胁迫研究涵盖干旱胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、热、冷胁迫、光胁迫以及灌溉/养分、CO2指示、植物健康等领域的研究。

气孔由两个保卫细胞组成,其受控运动使植物能够平衡光合作用对CO2的需求和蒸腾作用损失的水分。保卫细胞渗透压增加导致气孔打开,渗透压降低导致气孔关闭。糖类在调节气孔中的作用尚未明确。本文研究了己糖激酶 (HXK)在保卫细胞中的作用及其对气孔孔径的影响。研究表明保卫细胞中HXK的表达增加会加速气孔闭合。研究进一步表明这种闭合是由糖诱导的,并由脱落酸调节。这些发现支持了一种反馈抑制机制的存在,该机制由光合作用的产物,即蔗糖调节。当蔗糖生产速度超过蔗糖加载到韧皮部的速度时,多余的蔗糖被蒸腾流带到气孔并通过 HXK 刺激气孔关闭,从而防止宝贵的水分流失。

关键词:气孔;保卫细胞;己糖激酶;蔗糖;脱落酸;蒸腾作用

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图1. 己糖激酶 (HXK) 的高表达会增强气孔关闭并减少蒸腾作用

本试验采用不同AtHXK1表达水平的番茄品系研究HXK对番茄气孔的影响。对HK37、HK4和HK38三种番茄品系的气孔孔径和气孔导度进行了测定,它们的HXK活性水平分别是野生型(WT)植株的2、5和6倍。AtHXK1表达系的气孔密度与野生型的气孔密度相似,但气孔孔径和导度均显著降低,这与AtHXK1表达水平直接相关(图1a,b)。此外,对一天中蒸腾作用的持续测量表明,在AtHXK1表达系中,单位叶面积的蒸腾速率显著降低(图1c),因此,单位叶面积的累积全株相对日蒸腾量(RDT)与HXK活性明显呈负相关(图1d)

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图2. AtHXK1在叶片中表达时主要降低蒸腾作用

为了排除植株蒸腾作用的减少不是AtHXK1对根吸水或茎部水分运输抑制作用的结果,采用相互嫁接实验,将HK4枝条嫁接在WT的根上,WT枝条嫁接在HK4的根上(图2a)。对嫁接植物单位叶面积的蒸腾速率和累积全株相对每日蒸腾量的持续测量表明,蒸腾减少通常与HK4的枝条有关,而根系的影响较小(图2b,c)。为了进一步检查HK4的茎对蒸腾作用的影响,采用三重嫁接植物,其中 HK4 中间砧木替换了 WT 植物的一部分茎(图2d)。HK4 的中间砧木对RDT没有影响(图 2e),以上表明表达 AtHXK1 植株蒸腾作用的减少是由于叶子蒸腾作用减少造成的,而不是根部吸水量减少或通过茎干运输减弱的结果。 AtHXK1对叶片蒸腾作用的这种影响表明HXK控制影响整株植物蒸腾作用的气孔行为。


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