obiecte

abstract

Se consideră că schimbarea poziției potasiului (K) în copacii permanenți cauzată de perioade scurte este un mecanism de supraviețuire și adaptare la iernile severe. Un model de plop, aspenul hibrid T89, a fost utilizat pentru a determina relația dintre cesiu (Cs) și localizarea K. În condiții de zi scurte, cantitatea de 137 Cs absorbită prin rădăcină și transferată la rădăcină a fost redusă drastic, dar 42 K nu. Captarea de potasiu din rizosferă este mediată în principal de transportatorii KUP/HAK/KT și CNGC. Cu toate acestea, la plopi, aceste gene au fost exprimate constant în condiții pe termen scurt, cu excepția unei ușoare creșteri a expresiei genei KUP/HAK/KT la șase săptămâni după începerea tratamentului pe termen scurt. Aceste rezultate au arătat că suprimarea absorbției 137 Cs a fost indusă de o scurtă durată a zilei, dar nu a fost reglementată de transportul competitiv Cs + și K +. Presupunem că sistemele de transport Cs + și K sunt reglementate separat în plopi + .

Pe baza celor de mai sus, se crede că expresia și funcția transportorilor permeabili K + reglează, de asemenea, translocarea Cs + în diferite specii și situații de plante. Astfel, am investigat relația dintre schimbarea localizării K indusă de lungimea scurtă și comportamentul Cs absorbit din rizosferă. În acest scop, s-au analizat acumulări de 137 C și 42 K și modele de exprimare a genelor transportatorilor K + majori folosind un model de plop, aspenul hibrid T89.

Rezultatul

Cantitatea de 137 Cs în lăstari a scăzut în condiții pe termen scurt

Într-un sistem de ciclu de creștere controlat în Populus alba L., tranziția de la condițiile pe termen lung (LD) la condițiile pe termen scurt (SD) a fost redusă de fosfat în frunzele inferioare 27. Această schimbare sugerează existența unor mecanisme pentru relocarea fosfaților de la frunzele mai vechi la cele mai tinere (superioare) ca răspuns la schimbările sezoniere. Furukawa și colab. transportul Ca 2+ indicat de la rădăcină pentru fotografiere în Populus maximowiczii este, de asemenea, reglementat de trecerea de la LD la SD 19. Pe baza acestor fapte, s-au comparat absorbția Cs + în sistemul radicular și comportamentul acestuia în corpul plantei în condiții LD și SD. Pentru a măsura variațiile sezoniere ale aportului de Cs +, s-a adăugat o soluție de 137 Cs + la mediul de creștere în condițiile LD3, LD9 și SD6 (vezi metodele).

Figura 1A arată localizarea a 137 Cs prin absorbția rădăcinii în condițiile LD3, LD9 și SD6. La plantele LD3, 137 C au fost complet localizate, iar intensitatea radiației în jurul vârfului a fost cea mai mare. Plantele LD9 au avut aceeași vârstă ca plantele SD6 și au prezentat același comportament de 137 Cs ca plantele LD3. La plantele SD6, 137 Cs au fost localizate în principal în tulpină și rădăcini, iar conținutul total de 137 Cs a fost mai mic decât la alte plante. În plantele LD3, LD9 și în special SD6, toate nodurile au prezentat o cantitate mare de 137 Cs. Cantitatea de 137C în lăstarii plantelor SD6 a fost cu 36,3% și 23,6% mai mică decât în ​​lăstarii LD3 și LD9 (Fig. 1B). Pe de altă parte, cantitatea de 137 Cs în rădăcini a fost similară pentru toate cele trei condiții. 137 de cesiu s-au acumulat în principal (48,8%) în frunze în condiții LD3 (Fig. 1C). În condițiile LD9, 137C s-au acumulat, în mare măsură, în frunze (42,5%). Cu toate acestea, în condiții SD6, conținutul de frunze de 137 Cs a fost de 32,1%, iar organele care conțin cel mult 137 Cs au fost tulpini (39,7%). Pentru lăstarii, nivelurile de 137 Cs au fost mai mici la plantele SD6 decât la LD3 și LD9, dar diferența nu a fost semnificativă. Concentrațiile 137Cs au fost cele mai mari în apidele plantelor LD3 și LD9 (Fig. 1D). Cu toate acestea, scăderile concentrațiilor de 137 Cs la maimuțe și frunze în condiții SD6 au fost semnificative, iar tranziția la SD a suprimat transferul Cs la vârfuri și frunze.

scurt

( A ) Localizarea rădăcinii de 137 C aplicate în condiții LD3, LD9 și SD6. Imaginile superioare sunt fotografii, iar imaginile inferioare sunt autoradiografii. Plopii au fost tratați cu 137 Cs timp de 48 de ore. În autoradiografii, o schimbare a culorii de la albastru la roșu indică o acumulare de 137 Cs. Bara indică 1 cm. ( ) Modificarea cantităților totale de 137 Cs în plopi la trecerea la condițiile SD. Plopii din fiecare fotoperioadă au fost tratați cu 137 Cs timp de 48 de ore. ( C ) Acumularea de cesiu 137 în fiecare organ după 48 de ore de tratament în condiții LD3, LD9 și SD6. ( D ) Concentrațiile de cesiu-137 în fiecare organ după 48 de ore de tratament în condiții LD3, LD9 și SD6. Au fost testate trei plante pentru fiecare fotoperioadă. Barele de eroare indică abaterea standard.

Imagine la dimensiune completă

Absorbția potasiului-42 a fost constantă în condiții LD și SD

Pe baza analizelor de activitate de absorbție de 137 Cs, se aștepta ca cantitatea de 42 K absorbită prin rădăcină să fie, de asemenea, reglementată de tranziția la SD. Rădăcinile de plop au fost tratate cu 42 K exogene și, după 24 de ore de incubare, s-au măsurat cantități de 42 K în lăstari și rădăcini în condiții LD3, SD2, SD4 și SD6 (Fig. 2). Nu s-a găsit nicio diferență de 42 K în rădăcini între cele patru condiții. Cantitatea de 42 K în lăstari în etapa inițială a SD a fost aproape echivalentă cu cantitatea din lăstari la LD3. În schimb, 42 K în fabrica SD6 a fost ușor mai mare decât în ​​celelalte condiții, dar diferența nu a fost semnificativă. Aceste date sugerează că cererea de K în rizosferă nu a crescut sau a scăzut odată cu trecerea la SD în plop timp de până la șase săptămâni.

Cantitate totală de 42 K în plopi și rădăcini în tranziție către SD. Plantele sub fiecare fotoperioadă au fost tratate cu 42 K timp de 24 de ore. Au fost testate trei plante pentru fiecare fotoperioadă. Barele de eroare indică abaterea standard.

Imagine la dimensiune completă

O comparație a figurilor 1B și 2 arată că acumularea de 137 Cs a scăzut semnificativ în condiții SD6, dar acumularea de 42 K a rămas aproape constantă prin tranziția SD. Acest lucru sugerează că scăderea nivelurilor de Cs în filmare nu se explică printr-o simplă reducere a ratei de transpirație în condiții SD și că sistemele importante de absorbție a K + în plopi pot fi independente de reglarea acumulării de Cs în acestea. Se presupune, de asemenea, că transportatorul responsabil pentru absorbția Cs + în plopi poate avea doar o implicare limitată în absorbția K +, deoarece nu s-a observat nicio reducere a acumulării K la acumularea scăzută de Cs.

PttHAK-like1 a fost reglementat de o tranziție de scurtă zi

CNGC (canalul nucleotidic ciclic) poate fi un canal K + neselectiv care mediază absorbția de către simplastul rădăcinii K + 21. În Arabidopsis, canalul CNGC AtCNGC2 prezintă o permeabilitate K + 32. Analiza locusului trăsăturilor cantitative a arătat că AtCNGC1 este asociat cu concentrațiile de lăstari K și Cs în Arabidopsis 12, 33. În P. trichocarpa, 9 gene au fost selectate ca omologi ai AtCNGC1 pe baza secvențelor lor de aminoacizi (vezi Figura Adițională S1B). Analiza Proteome BLAST a arătat că POPTR_0012s01690 și POPTR_0015s02090 au înregistrat un scor semnificativ mai mare decât alții, iar ortologii din hibridul Aspen T89 au fost numiți PttCNGC1-like1 și PttCNGC1-like2 .

Pentru a determina care genă asociată cu absorbția K + este cea mai răspândită în rândul acestor cinci transportori, am evaluat nivelul de expresie al fiecărei gene în condiții LD3. Nu s-au găsit diferențe aparente în nivelurile de expresie ale genelor selectate în rădăcinile de plop (Fig. 3A). Expresia acestor transportoare de influx K + poate fi redundantă în condiții LD3. În timpul tranziției la condițiile SD, expresia PtKUP1 nu s-a schimbat semnificativ (Fig. 3B). PttHAK-like1 a arătat o expresie stabilă până la tranziția la condițiile SD4 și a fost reglat în sus de aproximativ 1,5 ori în condițiile SD6 (Fig. 3C). Expresia PttHAK-like2 a avut tendința de a scădea în plantele SD2 și SD4, dar a menținut niveluri de transcripție statistice stabile prin tranziția SD (Fig. 3D). Expresiile lui PttCNGC1-like1, PttCNGC1-like2 au fost, de asemenea, relativ constante în condiții SD (Fig. 3E, F).

ARN-ul total a fost izolat din rădăcină, iar nivelurile de transcripție genetică au fost analizate prin qRT-PCR. UBIQUTIN a fost utilizat ca genă de referință. ( A ) Compararea genelor de transport de plop K + în condiții normale de creștere (LD3). Trei plante au fost testate pentru această analiză. Barele de eroare indică abaterea standard. ( - F ) Modificarea nivelurilor de expresie ale genelor asociate cu transportul K + în tranziție la SD. ( ) PtKUP1, ( C ) PttHAK-like1, ( D ) PttHAK-like2, ( E ) PttCNGC1-like1 a ( F ) PttCNGC1-like2. Toate nivelurile de expresie genică au fost normalizate la nivelurile LD3. Barele de eroare indică abaterea standard. * Indică o diferență semnificativă față de nivelul de expresie al LD3 (** + și Cs + 34. Dintre aceste trei gene, domeniul GEGGTFALY a fost complet conservat și, prin urmare, nu există o explicație clară pentru divergența funcțională.

În ciuda absorbției stabile de 42 K prin tranziții sezoniere, activitatea de acumulare a Cs a fost reglementată în condiții SD6. Prin urmare, este posibil ca sistemele de transport Cs + și K + să fie reglementate separat în plopi.

discuţie

Potasiul este unul dintre cei mai abundenți nutrienți esențiali pentru plante. Este necesar pentru metabolismul, fotosinteza, ciclul acidului tricarboxilic (TCA), glicoliza și biosinteza aminoacizilor 35. Menținerea unei cantități suficiente de K în corpul plantei este, prin urmare, foarte importantă. De exemplu, la floarea-soarelui cu deficit de K, fluxul de carbon în ciclul TCA a scăzut datorită modificărilor distribuției carbonului 36. Deficitul de potasiu a inhibat, de asemenea, translocarea zahărului în mai multe plante 37. Astfel, cantitatea de K este strâns legată de procesele care mențin homeostazia în plante, cum ar fi echilibrul de încărcare, reglarea pH-ului și potențialul osmotic 35. CONTEXTUL INVENȚIEI Contextul invenției Contextul invenției Contextul invenției Contextul invenției Contextul invenției Contextul invenției Contextul invenției Contextul invenției Potasiul este substanța dominantă xilemul și floarea sa Ricinus communis și circulația K este necesar pentru creșterea și dezvoltarea plantelor 38 .

În acest studiu, cantitatea relativă de 42 K acumulată a fost comparată cu tranzițiile sezoniere. S-a constatat că acumularea de 42 K rămâne constantă până la SD6. Puck-uri care nu au apărut în decurs de patru săptămâni de la începerea tratamentului pe termen scurt (datele nu sunt prezentate); prin urmare, re-translocarea K ar trebui să înceapă încă din SD6. Cu toate acestea, rezultatele au arătat că acumularea de 42 K de la absorbția rădăcinii și expresia genelor de captare a rădăcinii K + a fost aproape constantă (Figurile 2 și 3B-F). Inducția AtHAK5 a fost raportată a fi crescută cu deficiența de K + 7, 8 sau aplicații Cs + atunci când o valoare K + 39 a fost suficientă. Astfel, o ușoară creștere a expresiei PttHAK-like1 în SD6 poate fi un răspuns la înfometarea K + pe o perioadă lungă de creștere.

În ciuda unui model constant de acumulare de K în condiții SD, acumularea de Cs a fost redusă drastic în plantele SD6 (Fig. 1A, B). Se consideră că absorbția și translocarea ionilor de cesiu sunt reglementate de sistemul de transport al plantei K +, dar în timpul tranziției SD nu a fost identificată nicio reglare descendentă în genele legate de absorbția K + (Fig. 3B-F). Se știe că mecanismele de absorbție a mineralelor vegetale sunt reglementate de nivelul activității proteinelor, precum și de expresia genei 6. Este necesară o analiză suplimentară a activității de transport a nutrienților, dar aceste rezultate sugerează posibila existență a unui nou transportor de transport care transportă Cs + mult mai eficient decât K + .

Deoarece o scădere a Cs a fost observată numai la nivelul lăstarilor (Fig. 1B), trebuie acordată atenție transportatorilor implicați în transferul Cs + între celulele rădăcinii adiacente xilemului și vaselor xilemului în sine. Translocarea potasiului-42 de la rădăcină la lăstar nu a fost afectată de trecerea la SD (Fig. 2). Rezultă că încărcarea x + xilemului nu poate fi reglată în jos și poate exista o cale de recaptare Cs + de la pulpa xilemului la celulele rădăcină. Acest tip de reglare a fost gândit pentru sistemul de transport Zn 2+ adiacent vaselor de xilem rădăcină și poate servi la menținerea concentrațiilor de lăstari Zn2 + sub nivelurile toxice 40. Acest mecanism ar fi plauzibil doar dacă ar exista transportoare specifice Cs + lângă vasele xilemului rădăcină care nu au fost încă găsite.

Nu am găsit transportatorul de transport K +, care ar fi în mod evident reglementat în sus sau în jos în tranziția către SD. Am folosit browserul Arabidopsis eFP (//bar.utoronto.ca/efp/cgi-bin/efpWeb.cgi), care oferă informații detaliate despre site-ul expresiei genei Arabidopsis și diverși factori de inducție genică, cum ar fi factorii de stres organici și anorganici. Expresia genelor Arabidopsis omologe AtKUP1, AtHAK5 și AtCNGC1 nu este modificată de tratamentul pe termen scurt sau de acidul abscisic exogen. Aceste modele de exprimare sunt în concordanță cu rezultatele noastre și sugerează că reglarea indusă de o zi scurtă a captării K + este, de asemenea, inutilă în plopi.

Spre deosebire de acumularea de K, acumularea de C nu a rămas constantă, ci s-a schimbat drastic odată cu modificarea duratei zilei. Prin urmare, mecanismul de captare și translocare a Cs + diferă de mecanismele pentru K + din plopi. Nu s-a determinat de ce s-a redus acumularea de Cs, dar acumularea de K a fost constantă la trecerea la condiții SD. Cu toate acestea, este clar că acumularea de Cs a fost afectată de fotoperioadă.

metode

Materialul vegetal și condițiile de creștere

Aspenul hibrid T89 (Populus tremula x tremuloides) (oferit cu amabilitate de Prof. B. Sundberg, Universitatea Suedeză de Științe Agricole, Suedia) a fost cultivat în recipiente sterile în mediu Murashige & Skoog (MS) cu rezistență la jumătate într-o lumină și temperatură controlată mediu inconjurator. condiții (lumină 16 h, întuneric 8 h, 23 ° C; intensitate luminoasă 37,5 μmol m-1s-1). În fiecare lună, toate plantele au fost tăiate la aproximativ cinci centimetri sub vârful lăstarului și înmuiate din nou în mediu MS proaspăt.

Măsurarea distribuției 137 Cs și 42 K în plopi

Obținerea secvențelor de nucleotide ale unei gene omoloage transportoare de influx K

Secvențele care codifică AtHAK5 complet (At4G13420) și AtCNGC1 (At5G53130) au fost obținute din baza de date a secvenței Arabidopsis (TAIR; //www.arabidopsis.org/). Opt gene HAK5 omoloage și nouă gene CNGC1 omoloage au fost identificate în plopi dintr-o sursă genomică a plantelor (Phytozome; //phytozom.jgi.doe.gov/pz/portal.html). Secvențele de codare ale OsHAK1 (Os04g0401700) și OsHAK5 (Os01g0930400) au fost identificate din RAP-DB, (//rapdb.dna.affrc.go.jp/). Secvența care codifică HvHAK1 (număr de acces: AF025292) a fost căutată folosind nucleotida BLAST la NCBI (//www.ncbi.nlm.nih.gov/).

Construirea unui arbore filogenetic

Secvențele de codificare de lungime completă pentru omologii Populus HAK5 și CNGC1 au fost transformate în secvențe de aminoacizi, iar apoi arborii filogenetici au fost generați folosind metoda de maximă probabilitate în MEGA (Molecular Evolutionary Genetics Analysis, ver. 5.05).

Analiza expresiei genelor

Rădăcinile plantelor au fost congelate rapid în azot lichid și apoi zdrobite pe un mixer de pulbere (QIAGEN, Germania). ARN-ul total a fost extras folosind RNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN). PCR cu transcriere inversă cantitativă în timp real (qRT-PCR) a fost efectuată utilizând kitul One Step SYBR PrimeScript RT-PCR (Takara, Japonia) și sistemul 7300 Real Time PCR (Applied Biosystems, SUA). Au fost efectuate trei replici biologice pentru fiecare fotoperioadă. Gena ubiquitin (numărul de acces: AF240445) a fost utilizată ca genă de referință în hibridul Aspene T89. Primerii ubiquitinei pentru qRT-PCR au fost după cum urmează: UBIQUTIN-F (5'-TGAACCAAATGATACCATTGATAG-3 ') și UBIQUTIN-R (5'-GTAGTCGCGAGCTGTCTTG-3'). Primerii de analiză a expresiei genice pentru PtKUP1, PttHAK-like1, PttHAK-like2, PttCNGC1-like1 și PttCNGC1-like2 sunt prezentate în tabelul 1. Diferențele semnificative dintre fiecare nivel de expresie genică au fost confirmate de ANOVA unidirecțional.

Tabel în dimensiune completă

Clonarea secvenței de codare PttHAK-like1

Secvența de codare completă a PttHAK-like1 a fost donată. Rădăcină întreagă Aspen hibrid T89 crescut până la recoltarea SD6 și depozitat la -80 ° C. ARN total a fost extras folosind RNeasy Plant Mini Kit și ADNc a fost sintetizat din ARN extras folosind ReverTra Ace (TOYOBO, Japonia). Primerii utilizați pentru clonarea PttHAK-like1 au fost după cum urmează: PttHAK-like1: (5'-ATGGAAGGAGATGATGATCG-3 ') și (5'-TTAGACCATGTATGTCATCCC-3'). Secvența de codificare pe toată lungimea a fost amplificată utilizând ADN polimerază PrimeSTAR GXL (Takara, Japonia) și purificată folosind Wizard SV Gel și PCR Clean-Up System (Promega, SUA). PttHAK-like1 a fost inserat în vectorul de clonare pGEM T-Easy prin clonarea TA (Promega, SUA). Secvențele nucleotidice ale PttHAK-like1 au fost determinate folosind un secvențiator ADN (3130 Genetic Analyzer; Applied Biosystems, SUA) și un set standard de secvență v3.1 Big-Dye terminator (Applied Biosystems, SUA). Secvența a fost analizată cu Finch TV și BioEdit.

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Noda, Y. și colab. Scăderea indusă pe termen scurt a absorbției de cesiu fără modificarea aportului de potasiu la plop. Știință. reprezentant. 6, 38360; doi: 10.1038/srep38360 (2016).

Nota editorului: Springer Nature rămâne neutru în ceea ce privește revendicările jurisdicționale ale hărților și relațiilor instituționale publicate.

Informatii suplimentare

Documente Word

Mai multe imagini

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă considerați că acesta este un act ofensator care nu este conform cu termenii sau liniile directoare, vă rugăm să îl marcați ca fiind inadecvat.