Overexpression of Nicotiana tabacum PIP1;3 enhances root aeration and oxygen metabolism in canola (Brassica napus) plants exposed to root hypoxia  

煙草PIP1;3的過表達(dá)增強(qiáng)低氧脅迫下油菜根系通氣及氧代謝能力  

來源：Plant Physiology and Biochemistry  

植物生理學(xué)與生物化學(xué)  

 

摘要內(nèi)容  

該研究通過過表達(dá)煙草的NtPIP1;3基因（一種推測(cè)參與氧氣運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)膜水通道蛋白）于油菜（甘藍(lán)型油菜），探究其在根低氧脅迫下的生理和代謝響應(yīng)。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)基因植株在淹水脅迫下維持了更高的生物量、光合速率、根水導(dǎo)度、根氧濃度、葉片水勢(shì)、根系呼吸速率和ATP水平。代謝分析表明轉(zhuǎn)基因植株通過調(diào)控糖酵解、丙酮酸代謝和三羧酸循環(huán)（TCA cycle）增強(qiáng)有氧代謝?；虮磉_(dá)分析顯示，轉(zhuǎn)基因植株的缺氧信號(hào)通路基因（如RAP2.12、PCO1/2）表達(dá)模式與野生型不同，結(jié)合直接測(cè)量的根氧濃度數(shù)據(jù)，證實(shí)NtPIP1;3通過促進(jìn)根系氧供應(yīng)增強(qiáng)低氧耐受性。  

 

研究目的  

驗(yàn)證NtPIP1;3是否通過促進(jìn)細(xì)胞間氧氣運(yùn)輸改善植物對(duì)根低氧脅迫（如水澇）的耐受性。  

 

研究思路  

構(gòu)建過表達(dá)NtPIP1;3的轉(zhuǎn)基因油菜植株。  

 

對(duì)比野生型（WT）與轉(zhuǎn)基因株系（OE）在根低氧脅迫下的：  

 

根系氧氣濃度（直接測(cè)量）  

 

呼吸代謝（ATP、呼吸速率）  

 

生長(zhǎng)與生理參數(shù)（生物量、光合、水分關(guān)系）  

 

代謝組學(xué)變化（糖酵解、TCA循環(huán)等）  

 

缺氧響應(yīng)基因表達(dá)  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及來源  

根呼吸速率與ATP濃度（圖1a-f）  

 

 

轉(zhuǎn)基因植株在低氧脅迫下維持更高呼吸速率和ATP水平，表明能量代謝穩(wěn)定。  

根氧濃度（圖2）  

 

 

使用丹麥Unisense微電極直接測(cè)量根細(xì)胞氧濃度，轉(zhuǎn)基因植株在10天和15天低氧脅迫下氧濃度顯著高于WT。  

生長(zhǎng)與氣體交換（圖3a-f）  

 

 

轉(zhuǎn)基因植株生物量、光合速率（Pn）和蒸騰速率（E）在低氧下無顯著下降。  

水分關(guān)系（圖4a-d）  

 

 

轉(zhuǎn)基因植株葉片水勢(shì)（Ψleaf）和根水導(dǎo)度（Lpr）在低氧下保持較高水平。  

代謝組學(xué)（圖5-7）  

 

 

 

 

 

轉(zhuǎn)基因植株在低氧下增強(qiáng)糖酵解、丙酮酸代謝和TCA循環(huán)，而WT轉(zhuǎn)向氨基酸代謝。  

基因表達(dá)（圖8）  

 

 

轉(zhuǎn)基因植株的缺氧信號(hào)基因（RAP2.12、PCO1/2）表達(dá)模式與WT差異顯著，反映氧氣供應(yīng)改善。  

 

數(shù)據(jù)研究意義  

根呼吸速率與ATP濃度（圖1）：證明轉(zhuǎn)基因植株在低氧下維持有氧代謝能力，避免能量危機(jī)。  

 

根氧濃度（圖2）：直接驗(yàn)證NtPIP1;3促進(jìn)根系氧運(yùn)輸?shù)暮诵募僭O(shè)。  

生長(zhǎng)與氣體交換（圖3）：表明氧氣供應(yīng)的改善對(duì)整體植物生理功能的保護(hù)作用。  

代謝組學(xué)（圖5-7）：揭示轉(zhuǎn)基因植株通過增強(qiáng)有氧代謝途徑適應(yīng)低氧的分子機(jī)制。  

基因表達(dá)（圖8）：缺氧信號(hào)通路基因的差異表達(dá)進(jìn)一步支持氧氣供應(yīng)的改善。  

 

結(jié)論  

NtPIP1;3過表達(dá)通過促進(jìn)根系氧氣運(yùn)輸，提高根細(xì)胞氧濃度，維持有氧代謝（呼吸速率、ATP水平）。  

 

改善的氧供應(yīng)穩(wěn)定了根系水分吸收（Lpr）和葉片光合作用，最終增強(qiáng)植物對(duì)水澇脅迫的耐受性。  

 

研究首次在作物中證實(shí)特定水通道蛋白可能參與氧氣運(yùn)輸，為培育耐澇作物提供新靶點(diǎn)。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的意義  

使用Unisense微電極（OX-10，尖端直徑10μm）直接測(cè)量根細(xì)胞氧濃度的數(shù)據(jù)（圖2）是研究的關(guān)鍵證據(jù)：  

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：該電極可原位測(cè)量單根細(xì)胞水平的氧濃度，避免傳統(tǒng)氧電極的空間分辨率不足問題。  

核心發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)基因植株在低氧脅迫下根氧濃度顯著高于WT（如10天時(shí)OE為1.2 mg/L，WT僅0.6 mg/L），直接證明NtPIP1;3增強(qiáng)了根系氧攝取或運(yùn)輸能力。  

機(jī)制驗(yàn)證：該數(shù)據(jù)與呼吸速率、代謝組學(xué)結(jié)果相互印證，表明氧氣供應(yīng)的改善是轉(zhuǎn)基因植株耐受低氧的物理基礎(chǔ)。  

研究創(chuàng)新性：首次在植物中通過單細(xì)胞水平氧測(cè)量技術(shù)，將水通道蛋白功能與氧氣運(yùn)輸直接關(guān)聯(lián)，突破傳統(tǒng)氣體運(yùn)輸研究依賴間接指標(biāo)的局限。