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基本信息

主題：鹽脅迫下哈蒂氏網(wǎng)在外生菌根對(duì)植物硝酸鹽吸收改善中的作用

期刊：New phytologist

影響因子：8.512

研究使用平臺(tái)：NMT植物-微生物互作創(chuàng)新科研平臺(tái)

標(biāo)題：Amelioration of nitrate uptake under salt stress by ectomycorrhiza with and without a Hartig net

作者：北京林業(yè)大學(xué)陳少良、撒剛、鄧晨

檢測(cè)離子/分子指標(biāo)

NO₃^-，H⁺

檢測(cè)樣品

銀灰楊根

中文摘要

鹽脅迫是阻礙楊樹(shù)吸收氮素營(yíng)養(yǎng)的重要環(huán)境因子。本文描述了鹽度對(duì)外生菌根中質(zhì)子驅(qū)動(dòng)的硝酸鹽流速的影響以及哈蒂氏網(wǎng)對(duì)硝酸鹽吸收的重要性。研究采用兩種卷邊網(wǎng)褶菌（Paxillus involutus）菌株進(jìn)行根部定殖：一種是MAJ，形成典型的外生菌根結(jié)構(gòu)（地幔和哈蒂氏網(wǎng)），一種是NAU，定殖根具薄而疏松的菌絲鞘。將真菌定殖和非定殖的銀灰楊（Populus canescens）用NaCl處理后，檢測(cè)根表面pH、NO₃^-流速、硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（PcNRT1.1、1.2、2.1）和質(zhì)膜H⁺-ATPase（PcHA4、8、11）的轉(zhuǎn)錄。不論是否存在哈蒂氏網(wǎng)，菌株定殖都能增強(qiáng)根系NO₃^-的吸收，降低表面pH值并刺激宿主植物的NRTs和HA4。在鹽脅迫下，未定殖的根部表現(xiàn)出較強(qiáng)的凈NO₃^-外排，而真菌定殖對(duì)根表面pH和H⁺-ATPase的有益作用避免了NO₃^-的損失。在所有條件下，抑制H⁺-ATPases可消除NO₃^-內(nèi)流。研究發(fā)現(xiàn)，ATPase對(duì)于外植體對(duì)NO₃^-吸收的有利影響是至關(guān)重要的，而哈蒂氏網(wǎng)的存在對(duì)于NO₃^-轉(zhuǎn)運(yùn)的改善并不是必需的。菌根可能會(huì)通過(guò)保持NO₃^-營(yíng)養(yǎng)來(lái)促進(jìn)宿主植物適應(yīng)鹽害環(huán)境。

離子/分子流實(shí)驗(yàn)處理方法

將銀灰楊的根分別在有無(wú)P. involutus菌株（MAJ和NAU）的情況下接種30 d，然后再用0或100 mM NaCl處理24 h（短期，ST）或7 d（長(zhǎng)期，LT）。

離子/分子流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于¹⁵N跟蹤確實(shí)揭示了運(yùn)輸?shù)腘化合物的身份，研究使用NMT技術(shù)來(lái)確定楊樹(shù)在有無(wú)真菌定殖以及響應(yīng)鹽脅迫時(shí)的NO₃^-流速變化。NO₃^-的流速沿著根尖（100~2100 μm）在測(cè)試液中保持恒定（0.1 mM 低NO₃^-, 圖2a）。NO₃^-流速的大小和方向明顯受NaCl處理和真菌定殖的影響（圖1a）。無(wú)菌根（non-mycorrhizal, NM）楊樹(shù)的根尖表現(xiàn)出適度的NO₃^-吸收，而真菌定殖的根表現(xiàn)出7.4~11.8倍的吸收（圖1a）。很顯然，這種刺激不需要哈蒂氏網(wǎng)，因?yàn)榕cNM根相比，用MAJ或NAU定殖的根會(huì)使NO₃^-吸收增加（圖1a）。此外，在鹽脅迫下，真菌定殖的根保持了NO₃^-的凈吸收，而NM根在短期和長(zhǎng)期鹽脅迫下顯示出NO₃^-的凈外排（圖1a）。無(wú)論是對(duì)照還是鹽處理，NAU和MAJ的純菌株均表現(xiàn)出NO₃^-內(nèi)流（圖3）。

NO₃^-的吸收需要H⁺的協(xié)同運(yùn)輸，因此取決于外部環(huán)境的pH值。隨后研究檢測(cè)了NM和真菌定殖的根表面的pH值。沿NM根的pH值是穩(wěn)定的（圖2b），平均值為5.41（圖1b）。真菌定殖導(dǎo)致根表面酸性更高，pH值范圍為5.05~5.12（圖1b, 圖2b）。長(zhǎng)期的鹽脅迫導(dǎo)致NM植物的pH值明顯上升至約pH值5.8（P<0.001）。在真菌定殖的植物中，鹽處理也引起pH升高，導(dǎo)致根表面的pH值約為5.4，類(lèi)似于NM對(duì)照根的pH值（圖1b, 圖2b）。鹽誘導(dǎo)植物根系pH值的增加是由于根表面H⁺外排速率下降（圖S5）。無(wú)論對(duì)照條件如何，或短期或長(zhǎng)期鹽脅迫，NAU的表面pH值與MAJ定殖的根的表面pH值沒(méi)有差別（圖1b）。

圖1. NaCl對(duì)有無(wú)菌株定殖的銀灰楊根表面的NO₃^-流速和pH值的影響

圖2. NaCl對(duì)有無(wú)菌根接種的楊樹(shù)NO₃^-穩(wěn)態(tài)流速和根表pH的影響

圖3. NaCl對(duì)MAJ和NAU菌株NO₃^-穩(wěn)態(tài)流速影響

為了監(jiān)測(cè)H⁺梯度對(duì)NO₃^-吸收的重要性，用原釩酸鹽（orthovanadate, 質(zhì)膜H⁺-ATPase抑制劑）抑制H⁺-ATPase。抑制劑顯著提高了NM和真菌定殖根表面的pH值（圖4b，圖5b），表明H⁺泵被有效抑制。H⁺流速檢測(cè)結(jié)果證實(shí)，在對(duì)照和鹽脅迫下，原釩酸鹽抑制劑使凈H⁺外排轉(zhuǎn)向內(nèi)流（圖6）。無(wú)論是否存在真菌定殖或鹽脅迫，都會(huì)導(dǎo)致NO₃^-釋放（圖4a, 圖5a）。

圖4. 在有無(wú)菌根定殖和有無(wú)NaCl的情況下，原釩酸鹽對(duì)銀灰楊根表面NO₃^-流速和pH的影響

圖5. 原釩酸鹽對(duì)NaCl脅迫下有無(wú)菌根接種的楊樹(shù)NO₃^-穩(wěn)態(tài)流速和根表pH的影響

圖6. 原釩酸鹽對(duì)NaCl脅迫下有無(wú)菌根接種的楊樹(shù)H⁺穩(wěn)態(tài)流速的影響

其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• 與NM楊樹(shù)相比，MAJ或NAU定殖的楊樹(shù)根和莖中¹⁵N的富集度更高。

• 真菌定殖和鹽脅迫改變了楊樹(shù)根系中低親和力和高親和力硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NRTs)的轉(zhuǎn)錄水平。

• 長(zhǎng)期鹽脅迫下，NR和NiR的活性呈下降趨勢(shì)。

• 盡管鹽誘導(dǎo)的PcHA4轉(zhuǎn)錄水平有所下降，但在鹽脅迫下，真菌定殖的PcHA4轉(zhuǎn)錄水平仍高于NM根系。

• 與NM相比，P. involutus定殖的根表現(xiàn)出更高的質(zhì)膜超極化。

• MAJ定殖的根在距頂端500~900 μm處表現(xiàn)出更高的O₂吸收率。

結(jié)論

本研究證明了外生菌根真菌P. involutus定殖的楊樹(shù)根系對(duì)NO₃^-的凈吸收增強(qiáng)，并且?guī)追NNRTs和HAs的表達(dá)增加。無(wú)哈蒂氏網(wǎng)的P. involutus菌株NAU引起NO₃^-凈流速增加，NRT和HA轉(zhuǎn)錄水平增加，類(lèi)似于用MAJ定殖形成典型的外菌根結(jié)構(gòu)的根。

研究認(rèn)為真菌對(duì)增強(qiáng)NO₃^-運(yùn)輸能力的有益影響被鹽脅迫所否定。不過(guò)，由于真菌定殖的根表面酸度高于NM根的表面酸度，因此Paxillus菌株MAJ和NAU維持了鹽脅迫下根NO₃^-的穩(wěn)態(tài)。鹽脅迫誘導(dǎo)NM根系NO₃^-外排受到菌根激活的H⁺-ATPases的抑制，明顯地在質(zhì)膜上形成了足以使NO₃^-保留的H⁺梯度。菌根真菌如何影響H⁺泵活性以及宿主PcNRT和PcHAs的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，在未來(lái)需要繼續(xù)研究?？傮w而言，本研究的結(jié)果為菌根共生體在養(yǎng)分吸收和脅迫改善方面的功能提供了新的見(jiàn)解。

離子流實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)試液

0.1 mM KNO₃, 0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, pH 5.3