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利用Plantarray高通量植物生理表型平台研究拟南芥己糖激酶

发布时间:2022-05-12 点击量:79

水通道蛋白NtAQP1是一种已知的CO2和水的质膜通道,其表达增加可以增加光合作用和蒸腾作用的速率。而拟南芥己糖激酶1(AtHXK1)是一种调节糖传感的双功能酶,其表达增加会降低光合基因的表达和蒸腾速率并抑制生长。本研究表明AtHXK1 还降低了根和茎的水力传导率以及叶肉的CO2传导率 (gm)。由于NtAQP1和AtHXK1对植物发育和生理产生相反的影响,我们利用同时表达这两个基因的转基因番茄植株,在全植株水平上研究了它们之间的关系。NtAQP1显著促进了表达AtHXK1植物的生长并提高了蒸腾速率。相互嫁接实验表明,当两种基因在枝条中同时表达时,就会发生这种互补。然而NtAQP1对双转基因植物的水力传导率只有边际影响,表明NtAQP1的互补作用与枝条水分运输无关。相反,NtAQP1显著增加了叶肉的CO2传导性并提高了光合作用的速率,表明NtAQP1通过增强CO2的叶肉传导性促进了双转基因植物的生长。

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图1. AtHXK1 降低根部和茎的水力传导率  图2. NtAQP1补充AtHXK1介导的生长抑制

对表达AtHXK1水平升高番茄品系的根际传导率和茎水力传导率进行了测定(图1)。 HK37、HK4和HK38品系的HXK活性分别比WT 植物高约2、5和6倍。具有AtHXK1高表达的HK4和HK38品系的根际水力传导率(Lr)和木质部茎水力传导率(Ksx)显著低于WT植物(图1A和1B)。以上表明AtHXK1降低了根部水力传导率和茎水力传导率。

同时表达AtHXK1和NtAQP1的双转基因AQP1 x HK4植株的株高、叶面积均高于亲本HK4(图2),这表明NtAQP1补充了AtHXK1的生长抑制作用。为了验证这种互补效应不是AtHXK1表达降低引起的,检查了HXK的活性以及糖感应效应。双转基因植株中的HXK活性与HK4亲本相似,比对照WT和AQP1(纯合子)亲本植株的活性高约7倍(图2D)。本文还研究了HXK对成熟的糖传感光合作用标记基因CAB1表达的影响,已知该基因 由AtHXK1抑制。AQP1 x HK4中的CAB1表达被抑制,水平与HK4植株相似(图2E),表明AtHXK1介导了双转基因植株的糖感应效应。这些结果表明NtAQP1的生长互补效应并非源于HXK活性的抑制,而可能是由于NtAQP1的上位生理效应。

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图2. 相互嫁接和整株植物相对每日蒸腾作用

为了研究AtHXK1引起的蒸腾作用和生长减少以及NtAQP1对其的补充作用是否对根或茎产生明显的影响,本试验将WT、AQP1和HK4茎接到WT、AQP1和HK4的根上,共九种的组合型植株。研究发现AtHXK1仅在茎中表达时才抑制生长,与根基因型无关(图 5A)。同理,嫁接植物的累积全株相对日蒸腾量表明,AtHXK1仅在茎中表达时,蒸腾量降低了约 50%,与根基因型无关(图5B)。这些结果表明NtAQP1和AtHXK1在根或枝条中的单独表达不足以实现NtAQP1对AtHXK1表型的互补,并且只有两个基因在枝条中同时表达时,NtAQP1对AtHXK1效应的互补才会发生。


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