предметів
реферат
Вважається, що зміна положення калію (К) у постійних деревах, спричинена короткими періодами, є механізмом виживання та адаптації до суворих зим. Модель тополі, гібридну осику Т89, використовували для визначення взаємозв’язку між локалізацією цезію (Cs) та K. За коротких денних умов кількість 137 Cs, що поглинається через корінь і переноситься в корінь, різко зменшується, але 42 K - ні. Поглинання калію з ризосфери здійснюється головним чином транспортерами KUP/HAK/KT та CNGC. Однак у тополі ці гени постійно експресувались у короткочасних умовах, за винятком незначного збільшення експресії гена KUP/HAK/KT через шість тижнів після початку короткочасного лікування. Ці результати показали, що придушення поглинання 137 Cs було спричинене короткою тривалістю дня, але не регулювалось конкурентним транспортом Cs + та K +. Ми припускаємо, що транспортні системи Cs + і K регулюються окремо у тополях + .
Виходячи з вищесказаного, вважається, що експресія та функція проникних K + транспортерів також регулює транслокацію Cs + у різних видах рослин та ситуаціях. Таким чином, ми досліджували взаємозв'язок між зміною локалізації K, спричиненою короткою довжиною, і поведінкою Cs, поглинених ризосферою. З цією метою було проаналізовано накопичення 137 Cs і 42 K та закономірності експресії генів основних K + транспортерів за допомогою модельного дерева тополі, гібридної осики T89.
результат
Кількість 137 Cs у пагонах зменшилась у короткочасних умовах
У системі контрольованого циклу росту у Populus alba L. перехід від довготривалих (LD) до короткочасних (SD) умов був зменшений фосфатом у нижніх листках 27. Ця зміна свідчить про існування механізмів переміщення фосфатів із старших у молоді (верхні) листки у відповідь на сезонні зміни. Фурукава та ін. вказаний транспорт Ca 2+ від кореня для відстрілу у Populus maximowiczii також регулюється переходом від LD до SD 19. На основі цих фактів було порівняно поглинання Cs + у кореневій системі та його поведінку в організмі рослини в умовах LD та SD. Для вимірювання сезонних коливань споживання Cs + у середовище для росту в умовах LD3, LD9 та SD6 додавали розчин 137 Cs + (див. Методи).
Малюнок 1А показує локалізацію 137 Cs шляхом поглинання кореня в умовах LD3, LD9 та SD6. У рослинах LD3 137 Cs були повністю локалізовані, а інтенсивність випромінювання навколо піку була найвищою. Рослини LD9 були одного віку з рослинами SD6 і демонстрували однакову поведінку 137 Cs, як рослини LD3. У рослинах SD6 137 Cs був локалізований переважно у стеблі та корінні, а загальний вміст 137 Cs був нижчим, ніж у інших рослинах. У рослинах LD3, LD9 і особливо SD6 усі вузли демонстрували високу кількість 137 Cs. Кількість 137Cs у пагонах рослин SD6 була на 36,3% та на 23,6% нижча, ніж у пагонах LD3 та LD9 (рис. 1B). З іншого боку, кількість 137 Cs у коренях була однаковою для всіх трьох умов. 137 цезій накопичувався переважно (48,8%) у листках в умовах LD3 (рис. 1С). За умов LD9 137Cs також значною мірою накопичувався у листі (42,5%). Однак за умов SD6 вміст листя 137 Cs становив 32,1%, а органи, що містять не більше 137 Cs, були стеблами (39,7%). Для пагонів пагонів рівень 137 Cs був нижчим у рослин SD6, ніж у LD3 та LD9, але різниця не була суттєвою. Концентрація 137Cs була найвищою у рослинних поглинаннях LD3 та LD9 (рис. 1D). Однак зниження концентрації 137 Cs у мавп та листя в умовах SD6 було значним, і перехід до SD придушив перенесення Cs до колосків та листя.
( A ) Локалізація кореня 137 Cs, що застосовується в умовах LD3, LD9 та SD6. Верхні зображення - це фотографії, а нижні - авторадіографи. Тополі обробляли 137 Cs протягом 48 годин. В авторадіографіях зміна кольору від синього до червоного свідчить про накопичення 137 Cs. Смужка вказує на 1 см. ( B ) Зміна загальної кількості 137 Cs у тополях при переході до умов SD. Тополі в кожному фотоперіоді обробляли 137 Cs протягом 48 годин. ( C. ) Накопичення цезію 137 у кожному органі після 48 годин лікування в умовах LD3, LD9 та SD6. ( D ) Концентрація цезію-137 у кожному органі після 48 годин лікування в умовах LD3, LD9 та SD6. Три рослини тестували на кожен фотоперіод. Полоски помилок вказують стандартне відхилення.
Повнорозмірне зображення
Поглинання калію-42 було постійним в умовах LD та SD
На основі аналізів активності поглинання 137 Cs передбачалося, що кількість 42 K, поглиненого через корінь, також буде регулюватися переходом на SD. Коріння тополі обробляли екзогенними 42 K, а через 24 години інкубації вимірювали 42 K у пагонах та коренях в умовах LD3, SD2, SD4 та SD6 (рис. 2). Між чотирма умовами не виявлено різниці в коренях 42 К. Кількість 42 K в пагонах на початковій стадії SD було майже еквівалентно кількості в пагонах при LD3. На відміну від цього, 42 К на заводі SD6 був трохи вищим, ніж в інших умовах, але різниця не була суттєвою. Ці дані свідчать про те, що попит на K в ризосфері не збільшувався і не зменшувався з переходом на SD у тополі до шести тижнів.
Загальна кількість 42 K у тополях та коренях при переході на SD. Рослини під кожний фотоперіод обробляли 42 К протягом 24 годин. Три рослини тестували на кожен фотоперіод. Полоски помилок вказують стандартне відхилення.
Повнорозмірне зображення
Порівняння рисунків 1B і 2 показує, що накопичення 137 Cs суттєво зменшилось в умовах SD6, але накопичення 42 K залишалося майже постійним завдяки переходу SD. Це свідчить про те, що зниження рівнів Cs в пагоні не пояснюється простим зменшенням швидкості транспірації в умовах SD, і що важливі системи поглинання K + у тополях можуть бути незалежними від регулювання накопичення Cs в ньому. Також вважається, що транспортер, відповідальний за поглинання Cs + у тополях, може мати лише обмежену участь у поглинанні K +, оскільки при низькому накопиченні Cs не спостерігалося зменшення накопичення K.
PttHAK-подібний1 регулювався переходом на короткий день
CNGC (циклічний нуклеотидний канал) може бути неселективним каналом K +, який опосередковує поглинання кореневим симпластом K + 21. В Arabidopsis канал CNGC AtCNGC2 демонструє проникність K + 32. Аналіз кількісного локусу ознак показав, що AtCNGC1 пов'язаний з концентрацією відходів K і Cs в Arabidopsis 12, 33. У P. trichocarpa 9 генів було відібрано як гомологи AtCNGC1 на основі їх амінокислотних послідовностей (див. Додатковий малюнок S1B). Аналіз протеомного BLAST показав, що POPTR_0012s01690 та POPTR_0015s02090 набрали значно вищі показники, ніж інші, а ортологи в гібриді Aspen T89 отримали назви PttCNGC1-like1 та PttCNGC1-like2 .
Щоб визначити, який ген, пов'язаний з поглинанням K +, є найбільш поширеним серед цих п'яти транспортерів, ми оцінили рівень експресії кожного гена в умовах LD3. Явних відмінностей у рівнях експресії вибраних генів у коренів тополі не виявлено (рис. 3А). Експресія цих транспортерів потоку K + може бути зайвою за умов LD3. Під час переходу до умов SD експресія PtKUP1 суттєво не змінилася (рис. 3B). PttHAK-подібний1 демонстрував стабільну експресію до переходу до умов SD4 і регулювався приблизно в 1,5 рази в умовах SD6 (рис. 3С). Експресія типу PttHAK2, як правило, зменшувалась у рослинах SD2 та SD4, але підтримувала статистично стабільні рівні транскрипції завдяки переходу SD (рис. 3D). Вирази PttCNGC1-like1, PttCNGC1-like2 також були відносно постійними в умовах SD (рис. 3E, F).
Загальну РНК виділяли з кореня, а рівні транскриптів генів аналізували за допомогою qRT-PCR. UBIQUTIN використовували як еталонний ген. ( A ) Порівняння транспортних генів K + тополі за нормальних умов росту (LD3). Для цього аналізу тестували три рослини. Полоски помилок вказують стандартне відхилення. ( B - F ) Зміна рівнів експресії генів, пов'язаних з транспортом K + при переході до SD. ( B ) PtKUP1, ( C. ) PttHAK-подібний1, ( D ) PttHAK-подібний2, ( Е ) PttCNGC1-like1 a ( F ) PttCNGC1-подібний2. Усі рівні експресії генів були нормалізовані до рівнів LD3. Полоски помилок вказують стандартне відхилення. * Вказує на значну відмінність від рівня експресії LD3 (** + і Cs + 34. З цих трьох генів домен GEGGTFALY був повністю збережений, і тому чіткого пояснення функціональної розбіжності немає.
Незважаючи на стабільне поглинання 42 K через сезонні переходи, активність накопичення Cs регулювалася в умовах SD6. Тому транспортні системи Cs + і K +, ймовірно, регулюються окремо у тополях.
обговорення
Калій є одним з найпоширеніших важливих поживних речовин для рослин. Він необхідний для метаболізму, фотосинтезу, циклу трикарбонової кислоти (ТСА), гліколізу та біосинтезу амінокислот 35. Тому підтримка достатньої кількості K в організмі рослини дуже важлива. Наприклад, у соняшнику з дефіцитом K потік вуглецю в цикл TCA зменшився через зміни розподілу вуглецю 36. Дефіцит калію також стримував транслокацію цукру в деяких рослинах 37. Таким чином, кількість K тісно пов’язана з процесами, що підтримують гомеостаз у рослинах, такими як баланс заряду, регулювання рН та осмотичний потенціал 35. Передумови винаходу Передумови винаходу Передумови винаходу Передумови винаходу Передумови винаходу Передумови винаходу Передумови винаходу Передумови винаходу Передумови винаходу Калій є домінуючою речовиною ксилемою та соком флоеми Ricinus communis та циркуляція К необхідний для росту та розвитку рослин 38 .
У цьому дослідженні порівняно відносну кількість накопичених 42 К проти сезонних переходів. Встановлено, що накопичення 42 К залишається незмінним до SD6. Випадіння шайб, що виникають протягом чотирьох тижнів після початку короткочасного лікування (дані не наведені); тому повторна транслокація K повинна розпочатися вже в SD6. Однак результати показали, що накопичення 42 К від поглинання кореня та експресія генів поглинання К + було майже постійним (Рисунки 2 та 3B-F). Повідомлялося, що індукція AtHAK5 збільшується за рахунок застосування дефіциту K + 7, 8 або Cs +, коли значення K + 39 було достатнім. Таким чином, незначне збільшення експресії PttHAK-подібного1 в SD6 може бути відповіддю на голодування K + протягом тривалого періоду зростання.
Незважаючи на постійний характер накопичення K в умовах SD, накопичення Cs різко зменшилось у рослинах SD6 (рис. 1A, B). Вважається, що поглинання і транслокація іонів цезію регулюється рослинною транспортною системою K +, але під час переходу SD не було виявлено зниження регуляції в генах, пов'язаних з поглинанням K + (рис. 3B-F). Відомо, що механізми засвоєння рослинних мінералів регулюються рівнем активності білка, а також експресією гена 6. Потрібний подальший аналіз активності транспорту поживних речовин, але ці результати свідчать про можливе існування нового транспортного транспортера, який несе Cs + набагато ефективніше, ніж K + .
Оскільки зменшення Cs спостерігалося лише на відростку (рис. 1B), слід звернути увагу на транспортери, що беруть участь у перенесенні Cs + між кореневими клітинами, прилеглими до ксилеми, та самими судинами ксилеми. Перехід калію-42 з кореня на пагін не вплинув на перехід до СД (рис. 2). Звідси випливає, що навантаження К + ксилеми може не регулюватися вниз, і може бути шлях повторного поглинання Cs + від пульпи ксилеми до клітин кореня. Цей тип регулювання був продуманий для транспортної системи Zn 2+, яка прилягає до судин кореневої ксилеми, і може служити для утримання концентрацій відростка Zn2 + нижче токсичних рівнів 40. Цей механізм був би правдоподібним лише за умови, що поблизу судин кореневої ксилеми є специфічні транспортери Cs +, які ще не були знайдені.
Ми не знайшли транспортного транспорту K +, який, очевидно, регулювався би вгору або вниз при переході на SD. Ми використовували браузер Arabidopsis eFP (//bar.utoronto.ca/efp/cgi-bin/efpWeb.cgi), який надає детальну інформацію на сайті експресії гена Arabidopsis та різних факторів індукції генів, таких як органічні та неорганічні стресові фактори. Експресія гомологічних генів Arabidopsis AtKUP1, AtHAK5 та AtCNGC1 не змінюється короткочасним лікуванням або екзогенною абсцизовою кислотою. Ці закономірності вираження узгоджуються з нашими результатами та свідчать про те, що індуковане коротким днем регулювання поглинання K + також є непотрібним у тополях.
На відміну від накопичення K, накопичення Cs не залишалося постійним, а різко змінювалося зі зміною тривалості дня. Тому механізм поглинання та транслокації Cs + відрізняється від механізмів K + у тополях. Не було встановлено, чому накопичення Cs було зменшено, але накопичення K було постійним при переході на умови SD. Однак очевидно, що на накопичення Cs впливав фотоперіод.
методи
Рослинний матеріал та умови росту
Гібридну осику Т89 (Populus tremula x tremuloides) (люб'язно надано професором Б. Сундбергом, Шведський університет сільськогосподарських наук, Швеція) культивували в стерильних контейнерах у середовищі Мурашіге і Скуг (МС) з напівсилою при контролі світла та температури навколишнє середовище. умови (світло 16 год., темрява 8 год., 23 ° С; інтенсивність світла 37,5 мкмоль м-1с-1). Щомісяця всі рослини зрізали приблизно на п'ять сантиметрів нижче верхівки пагона і знову замочували у свіжому середовищі MS.
Вимірювання розподілу 137 Cs та 42 K у тополях
Отримання нуклеотидних послідовностей гомологічного гена транспортера припливу K
Послідовності, що кодують повний AtHAK5 (At4G13420) та AtCNGC1 (At5G53130), були отримані з бази даних послідовностей Arabidopsis (TAIR; //www.arabidopsis.org/). Вісім гомологічних генів HAK5 та дев'ять гомологічних генів CNGC1 ідентифіковані у тополях з геномного рослинного джерела (фітозома; //phytozom.jgi.doe.gov/pz/portal.html). Послідовності кодування OsHAK1 (Os04g0401700) та OsHAK5 (Os01g0930400) були ідентифіковані з RAP-DB, (//rapdb.dna.affrc.go.jp/). Шукали послідовність, що кодує HvHAK1 (номер приєднання: AF025292), використовуючи нуклеотид BLAST в NCBI (//www.ncbi.nlm.nih.gov/).
Побудова філогенетичного дерева
Повнорозмірні кодуючі послідовності для гомологів Populus HAK5 та CNGC1 перетворювались на амінокислотні послідовності, а потім генерували філогенетичні дерева за допомогою методу максимальної ймовірності в MEGA (Molecular Evolutionary Genetics Analysis, версія 5.05).
Аналіз експресії генів
Коріння рослин швидко заморожували у рідкому азоті, а потім подрібнювали на порошковому змішувачі (QIAGEN, Німеччина). Загальну РНК екстрагували за допомогою набору RNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN). Кількісну ПЛР зворотної транскрипції в реальному часі (qRT-PCR) проводили за допомогою One Step SYBR PrimeScript RT-PCR Kit (Takara, Японія) та системи ПЛР 7300 у реальному часі (Applied Biosystems, США). Для кожного фотоперіоду проводили три біологічні повтори. Ген убиквітину (номер приєднання: AF240445) був використаний як еталонний ген у гібриді Aspene T89. Праймери убиквітину для qRT-PCR були такими: UBIQUTIN-F (5'-TGAACCAAATGATACCATTGATAG-3 ') та UBIQUTIN-R (5'-GTAGTCGCGAGCTGTCTTG-3'). Праймери аналізу експресії генів для PtKUP1, PttHAK-подібного1, PttHAK-подібного2, PttCNGC1-подібного1 та PttCNGC1-подібного2 наведені в таблиці 1. Значущі відмінності між кожним рівнем експресії генів підтверджені одностороннім ANOVA.
Стіл в натуральну величину
Клонування PttHAK-подібної1 кодуючої послідовності
Повну послідовність кодування PttHAK-like1 клонували. Суцільнокоренева гібридна осика Т89, вирощена до збору врожаю SD6 і зберігана при -80 ° C. Загальну РНК екстрагували за допомогою міні-набору RNeasy Plant, а кДНК синтезували з екстрагованої РНК за допомогою ReverTra Ace (TOYOBO, Японія). Праймери, які використовували для клонування PttHAK-подібного1, були такими: PttHAK-подібні1: (5'-ATGGAAGGAGATGATGATCG-3 ') і (5'-TTAGACCATGTATGTCATCCC-3'). Повна довжина кодуючої послідовності була ампліфікована за допомогою ДНК-полімерази PrimeSTAR GXL (Takara, Японія) та очищена за допомогою гелю Wizard SV та системи очищення ПЛР (Promega, США). PttHAK-подібний1 був введений у вектор клонування pGEM T-Easy методом клонування TA (Promega, США). Нуклеотидні послідовності PttHAK-like1 визначали за допомогою ДНК-секвенсора (3130 Genetic Analyzer; Applied Biosystems, США) та стандартного набору послідовностей Big-Dye v3.1 (Applied Biosystems, США). Послідовність аналізували за допомогою Finch TV та BioEdit.
Детальніше
Як цитувати цю статтю: Noda, Y. та ін. Короткочасне індуковане зниження всмоктування цезію без зміни споживання калію в тополі. Наук. Респ. 6, 38360; doi: 10.1038/srep38360 (2016).
Примітка видавця: Springer Nature залишається нейтральним щодо юрисдикційних вимог опублікованих карт та інституційних відносин.
Додаткова інформація
Документи Word
Більше фотографій
Коментарі
Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.