елементи
абстрактно
Смята се, че промяната в позицията на калий (K) в постоянните дървета, причинена от кратки периоди, е механизъм за оцеляване и адаптиране към тежки зими. Моделна топола, хибридната трепетлика T89, беше използвана за определяне на връзката между цезия (Cs) и K локализацията. При условия на кратък ден количеството 137 Cs, абсорбирано през корена и пренесено в корена, беше драстично намалено, но 42 K не. Поглъщането на калий от ризосферата се осъществява главно от транспортери KUP/HAK/KT и CNGC. При тополите обаче тези гени се експресират постоянно при краткосрочни условия, с изключение на леко повишаване на експресията на гена KUP/HAK/KT шест седмици след началото на краткосрочното лечение. Тези резултати показаха, че потискането на усвояването на 137 Cs се предизвиква от кратък период от деня, но не се регулира от конкурентния транспорт на Cs + и K +. Предполагаме, че транспортните системи Cs + и K се регулират отделно в тополите + .
Въз основа на горното се предполага, че експресията и функцията на K + пропускливи транспортери също регулира Cs + транслокацията в различни растителни видове и ситуации. По този начин ние изследвахме връзката между промяната в локализацията на K, предизвикана от малка дължина, и поведението на Cs, абсорбирани от ризосферата. За тази цел бяха анализирани 137 Cs и 42 K натрупвания и модели на генна експресия на основните K + транспортери, като се използва моделно тополово дърво, хибридната трепетлика T89.
резултатът
Количеството 137 Cs в издънките намалява при краткосрочни условия
В система с контролиран цикъл на растеж в Populus alba L. преходът от дългосрочни (LD) към краткосрочни (SD) условия беше намален от фосфат в долните листа 27. Тази промяна предполага съществуването на механизми за преместване на фосфатите от по-стари в по-млади (горни) листа в отговор на сезонните промени. Furukawa и сътр. посоченият пренос на Ca 2+ от корена за отстрел в Populus maximowiczii също се регулира от преминаването от LD към SD 19. Въз основа на тези факти е сравнено усвояването на Cs + в кореновата система и поведението му в растителното тяло при LD и SD условия. За измерване на сезонните вариации в приема на Cs +, към средата за растеж при условия LD3, LD9 и SD6 се добавя разтвор от 137 Cs + (вж. Методите).
Фигура 1А показва локализацията на 137 Cs чрез поглъщане на корени при условия LD3, LD9 и SD6. В LD3 растенията 137 Cs бяха напълно локализирани и интензивността на лъчението около върха беше най-висока. LD9 растенията са на същата възраст като SD6 растенията и показват същото 137 Cs поведение като LD3 растенията. В растенията SD6 137 Cs е локализиран главно в стъблото и корените, а общото съдържание на 137 Cs е по-ниско, отколкото в други растения. В LD3, LD9 и особено SD6 растенията всички възли показват високо количество от 137 Cs. Количеството 137Cs в издънките на SD6 растенията е с 36,3% и 23,6% по-ниско, отколкото в издънките на LD3 и LD9 (фиг. 1В). От друга страна, количеството 137 Cs в корените е сходно и за трите условия. 137 цезий се натрупва главно (48,8%) в листата при LD3 условия (фиг. 1В). При условия LD9 137Cs също се натрупват в голяма степен в листата (42,5%). При условията на SD6 обаче съдържанието на листа от 137 Cs е 32,1%, а органите, съдържащи най-много 137 Cs, са стъбла (39,7%). За издънките издънките нивата на 137 Cs са по-ниски в растенията SD6, отколкото в LD3 и LD9, но разликата не е значителна. Концентрациите на 137Cs са най-високи в растителните апиди LD3 и LD9 (фиг. 1D). Намаляването на концентрациите на 137 Cs при маймуните и листата при SD6 обаче е значително и преходът към SD потиска прехвърлянето на Cs към шипове и листа.
( A ) Локализация на корена на 137 Cs, приложен в условия LD3, LD9 и SD6. Горните изображения са фотографии, а долните изображения са авторадиографии. Тополите бяха третирани със 137 Cs в продължение на 48 часа. В авторадиографиите промяната в цвета от син до червен показва натрупване на 137 Cs. Лентата показва 1 cm. ( Б. ) Промяна в общите количества от 137 Cs в тополите при преминаване към SD условия. Тополите във всеки фотопериод бяха третирани със 137 Cs в продължение на 48 часа. ( ° С ) Натрупване на цезий 137 във всеки орган след 48 часа лечение при условия LD3, LD9 и SD6. ( д ) Концентрации на цезий-137 във всеки орган след 48 часа лечение при LD3, LD9 и SD6 условия. Три растения бяха тествани за всеки фотопериод. Лентите за грешки показват стандартно отклонение.
Изображение в пълен размер
Поглъщането на калий-42 е постоянно при LD и SD условия
Въз основа на тестове за активност на усвояване на 137 Cs, се очакваше, че количеството от 42 K, абсорбирано през корена, също ще бъде регулирано от прехода към SD. Корените на тополата се третират с екзогенни 42 K и след 24 часа инкубация, 42 K се измерват в издънки и корени при LD3, SD2, SD4 и SD6 условия (Фиг. 2). Не е открита разлика от 42 K в корените между четирите условия. Количеството от 42 K в издънките в началния етап на SD е почти еквивалентно на количеството в издънките при LD3. За разлика от това, 42 K в инсталацията SD6 е малко по-висока, отколкото при другите условия, но разликата не е значителна. Тези данни предполагат, че търсенето на K в ризосферата не се е увеличило или намалило с преминаването към SD в тополата до шест седмици.
Общо количество от 42 K в тополите и корените при преход към SD. Растенията под всеки фотопериод се третират с 42 К в продължение на 24 часа. Три растения бяха тествани за всеки фотопериод. Лентите за грешки показват стандартно отклонение.
Изображение в пълен размер
Сравнението на фигури 1В и 2 показва, че натрупването на 137 Cs намалява значително при SD6 условия, но натрупването на 42 K остава почти постоянно през SD прехода. Това предполага, че намаляването на нивата на Cs в издънката не се обяснява с просто намаляване на скоростта на транспирация при условия на SD и че важните системи за поглъщане на K + в тополите могат да бъдат независими от регулирането на натрупването на Cs в тях. Също така се смята, че транспортерът, отговорен за поглъщането на Cs + в тополите, може да има само ограничено участие в абсорбцията на K +, тъй като не се наблюдава намаляване на натрупването на K при ниско натрупване на Cs.
PttHAK-like1 беше регулиран чрез кратък дневен преход
CNGC (цикличният нуклеотиден канал) може да бъде неселективен K + канал, който медиира поемането от коренния симплест K + 21. В Arabidopsis, CNGC каналът AtCNGC2 показва K + 32 пропускливост. Анализът на количествения локус на признаците показа, че AtCNGC1 е свързан с концентрациите на издънки K и Cs в Arabidopsis 12, 33. В P. trichocarpa бяха избрани 9 гена като хомолози на AtCNGC1 въз основа на техните аминокиселинни последователности (вж. Допълнителна фигура S1B). Анализът на протеомния BLAST показа, че POPTR_0012s01690 и POPTR_0015s02090 са отбелязали значително по-високи резултати от останалите, а ортолозите в хибрида Aspen T89 са наречени PttCNGC1-like1 и PttCNGC1-like2 .
За да определим кой ген, свързан с поглъщането на K +, е най-разпространен сред тези пет транспортера, ние оценихме нивото на експресия на всеки ген при LD3 условия. Не са открити видими разлики в нивата на експресия на избрани гени в корените на топола (фиг. 3А). Изразяването на тези K + потоци транспортери може да е излишно при LD3 условия. По време на прехода към SD условия, експресията на PtKUP1 не се е променила значително (фиг. 3В). PttHAK-подобен1 показва стабилна експресия до преминаване към SD4 условия и се регулира нагоре приблизително 1,5 пъти при SD6 условия (фиг. 3С). Експресията на PttHAK-подобна2 има тенденция да намалява в растенията SD2 и SD4, но поддържа статистически стабилни нива на транскрипция чрез SD преход (фиг. 3D). Изразите на PttCNGC1-like1, PttCNGC1-like2 също бяха относително постоянни при SD условия (Фиг. 3E, F).
Общата РНК беше изолирана от корена и нивата на генния транскрипт бяха анализирани чрез qRT-PCR. UBIQUTIN се използва като референтен ген. ( A ) Сравнение на K + тополови транспортни гени при нормални условия на растеж (LD3). За този анализ бяха тествани три растения. Лентите за грешки показват стандартно отклонение. ( Б. - F ) Промяна на нивата на експресия на гени, свързани с K + транспорт при преход към SD. ( Б. ) PtKUP1, ( ° С ) PttHAK-like1, ( д ) PttHAK-подобен2, ( Е. ) PttCNGC1-like1 a ( F ) PttCNGC1-подобен2. Всички нива на генна експресия бяха нормализирани до LD3 нива. Лентите за грешки показват стандартно отклонение. * Показва значителна разлика от нивото на експресия на LD3 (** + и Cs + 34. От тези три гена, GEGGTFALY домейнът е напълно запазен и следователно няма ясно обяснение за функционалната дивергенция.
Въпреки стабилното поглъщане на 42 K чрез сезонни преходи, активността по натрупване на Cs се регулира при условия SD6. Следователно транспортните системи Cs + и K + вероятно ще бъдат регулирани отделно в тополите.
дискусия
Калият е един от най-разпространените основни хранителни вещества за растенията. Необходим е за метаболизма, фотосинтезата, цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA), гликолизата и биосинтеза на аминокиселини 35. Следователно поддържането на достатъчно количество K в тялото на растението е много важно. Например при слънчогледите с дефицит на К въглеродният поток в TCA цикъла е намалял поради промени в разпределението на въглерода 36. Недостигът на калий също възпрепятства транслокацията на захар в няколко растения 37. По този начин количеството K е тясно свързано с процесите, поддържащи хомеостазата в растенията, като баланс на заряда, регулиране на pH и осмотичен потенциал 35. ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО Предшестващо състояние на изобретението Предшестващо състояние на изобретението Предшестващо състояние на изобретението Предшестващо състояние на изобретението Предшестващо състояние на изобретението Предшестващо състояние на изобретението Предшестващо състояние на изобретението Калият е доминиращото вещество ксилем и флоемен сок Ricinus communis и циркулация К е необходимо за растежа и развитието на растенията 38 .
Това проучване сравнява относителното количество натрупани 42 K спрямо сезонните преходи. Установено е, че натрупването на 42 K остава постоянно до SD6. Изтичащи шайби, възникващи в рамките на четири седмици след започване на краткосрочно лечение (данните не са показани); следователно повторното преместване на K трябва да започне още в SD6. Резултатите обаче показаха, че натрупването на 42 К от поемането на корена и експресията на гени за поемане на К + е почти постоянно (Фигури 2 и 3B-F). Съобщава се, че индукцията на AtHAK5 се увеличава от приложенията на K + дефицит 7, 8 или Cs +, когато стойността на K + 39 е достатъчна. По този начин, леко увеличаване на PttHAK-подобна1 експресия в SD6 може да бъде отговор на K + глад за дълъг период на растеж.
Въпреки постоянния модел на натрупване на K при условия на SD, натрупването на Cs е драстично намалено в растенията SD6 (фиг. 1А, В). Смята се, че поглъщането и транслокацията на цезиеви йони се регулират от растителната транспортна система K +, но по време на SD прехода не е установено регулиране надолу в гените, свързани с поглъщането на K + (Фиг. 3B-F). Известно е, че механизмите на усвояване на растителните минерали се регулират от нивото на протеинова активност, както и от експресията на ген 6. Необходим е допълнителен анализ на транспортната активност на хранителните вещества, но тези резултати предполагат възможното съществуване на нов транспортен транспортер, който носи Cs + много по-ефективно от K + .
Тъй като намаление на Cs се наблюдава само при издънката (фиг. 1В), трябва да се обърне внимание на транспортери, участващи в преноса на Cs + между кореновите клетки, съседни на ксилемата и самите съдове на ксилемата. Транслокацията на калий-42 от корена към издънката не е повлияна от прехода към SD (фиг. 2). От това следва, че натоварването с К + ксилема може да не бъде регулирано надолу и може да има път за повторно поемане на Cs + от пулпата на ксилемата към кореновите клетки. Този тип регулиране е бил измислен за транспортната система Zn 2+, съседна на кореновите ксилемни съдове и може да служи за поддържане на концентрациите на Zn2 + издънки под токсичните нива 40. Този механизъм би бил правдоподобен само ако в близост до съдовете на ксилема на корена има специфични транспортери Cs +, които все още не са намерени.
Не намерихме транспортния транспортер K +, който очевидно ще бъде регулиран нагоре или надолу при прехода към SD. Използвахме Arabidopsis eFP Browser (//bar.utoronto.ca/efp/cgi-bin/efpWeb.cgi), който предоставя подробна информация на сайта на експресията на гена Arabidopsis и различни фактори за индукция на гени, като органични и неорганични стресори. Експресията на хомоложните гени Arabidopsis AtKUP1, AtHAK5 и AtCNGC1 не се променя от краткосрочно лечение или екзогенна абсцизова киселина. Тези модели на изразяване са в съответствие с нашите резултати и предполагат, че индуцираното от кратко дни регулиране на поглъщането на K + също е ненужно в тополите.
За разлика от натрупването на K, натрупването на Cs не остава постоянно, а се променя драстично с промяната в продължителността на деня. Следователно механизмът на поглъщане и транслокация на Cs + се различава от механизмите за K + в тополите. Не беше определено защо натрупването на Cs беше намалено, но натрупването на K беше постоянно при прехода към условия на SD. Ясно е обаче, че натрупването на Cs е повлияно от фотопериода.
методи
Растителни материали и условия на растеж
Хибридна трепетлика Т89 (Populus tremula x tremuloides) (любезно предоставена от проф. Б. Сундберг, Шведски университет по земеделски науки, Швеция) е култивирана в стерилни контейнери в среда Murashige & Skoog (MS) с половин сила в среда с контролирана светлина и температура . условия (светлина 16 h, тъмнина 8 h, 23 ° C; интензивност на светлината 37,5 μmol m-1s-1). Всеки месец всички растения се изрязват приблизително на пет сантиметра под върха на издънката и се накисват отново в прясна MS среда.
Измерване на разпределението на 137 Cs и 42 K в тополите
Получаване на нуклеотидни последователности на хомоложен ген на транспортен К поток
Последователности, кодиращи пълни AtHAK5 (At4G13420) и AtCNGC1 (At5G53130), бяха получени от базата данни за последователността на Arabidopsis (TAIR; //www.arabidopsis.org/). Осем хомоложни гена HAK5 и девет хомоложни гена CNGC1 са идентифицирани в тополите от растителен геномен източник (Phytozome; //phytozom.jgi.doe.gov/pz/portal.html). Кодиращите последователности на OsHAK1 (Os04g0401700) и OsHAK5 (Os01g0930400) бяха идентифицирани от RAP-DB, (//rapdb.dna.affrc.go.jp/). Последователността, кодираща HvHAK1 (номер за присъединяване: AF025292), беше търсена с помощта на нуклеотида BLAST в NCBI (//www.ncbi.nlm.nih.gov/).
Изграждане на филогенетично дърво
Кодиращите последователности с пълна дължина за хомолозите Populus HAK5 и CNGC1 бяха превърнати в аминокиселинни последователности и след това бяха генерирани филогенетични дървета, използвайки метода на максималната вероятност в MEGA (Molecular Evolutionary Genetics Analysis, версия 5.05).
Анализ на генната експресия
Корените на растенията се замразяват бързо в течен азот и след това се натрошават на прахообразен миксер (QIAGEN, Германия). Общата РНК беше извлечена с помощта на RNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN). Количествена PCR в обратна транскрипция в реално време (qRT-PCR) беше извършена с помощта на One Step SYBR PrimeScript RT-PCR Kit (Takara, Япония) и 7300 PCR система в реално време (Applied Biosystems, САЩ). За всеки фотопериод бяха извършени три биологични повторения. Генът убиквитин (номер за присъединяване: AF240445) е използван като референтен ген в хибрида Aspene T89. Убиквитиновите праймери за qRT-PCR бяха както следва: UBIQUTIN-F (5'-TGAACCAAATGATACCATTGATAG-3 ') и UBIQUTIN-R (5'-GTAGTCGCGAGCTGTCTTG-3'). Праймерите за анализ на генната експресия за PtKUP1, PttHAK-like1, PttHAK-like2, PttCNGC1-like1 и PttCNGC1-like2 са показани в Таблица 1. Значителни разлики между всяко ниво на генна експресия са потвърдени от еднопосочен ANOVA.
Маса в пълен размер
Клониране на PttHAK-подобна1 кодираща последователност
Пълната кодираща последователност на PttHAK-like1 беше клонирана. Цялокорен хибриден трепетлика Т89, отглеждан до събиране на SD6 и съхраняван при -80 ° С. Общата РНК беше извлечена с помощта на RNeasy Plant Mini Kit и cDNA беше синтезирана от извлечената РНК с помощта на ReverTra Ace (TOYOBO, Япония). Праймерите, използвани за клониране на PttHAK-like1, са както следва: PttHAK-like1: (5'-ATGGAAGGAGATGATGATCG-3 ') и (5'-TTAGACCATGTATGTCATCCC-3'). Кодиращата последователност с пълна дължина беше амплифицирана с помощта на PrimeSTAR GXL ДНК полимераза (Takara, Япония) и пречистена с помощта на Wizard SV Gel и PCR Clean-Up System (Promega, USA). PttHAK-like1 беше вмъкнат в pGEM T-Easy клониращ вектор чрез TA клониране (Promega, САЩ). Нуклеотидните последователности на PttHAK-like1 бяха определени с помощта на ДНК секвенсор (3130 Genetic Analyzer; Applied Biosystems, USA) и стандартен комплект за последователност Big-Dye v3.1 (Applied Biosystems, USA). Последователността беше анализирана с Finch TV и BioEdit.
Повече информация
Как да цитирам тази статия: Noda, Y. et al. Краткосрочно предизвикано намаляване на абсорбцията на цезий без промяна в приема на калий в топола. Sci. Представител. 6, 38360; doi: 10.1038/srep38360 (2016).
Забележка на издателя: Springer Nature остава неутрален по отношение на юрисдикционните претенции на публикувани карти и институционални взаимоотношения.
Допълнителна информация
Word документи
Още снимки
Коментари
Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.