水稻根系细胞膜质子泵在氮磷营养吸收中的作用机制

【摘要】细胞膜质子泵也叫质膜H+-ATPase,其主要生理功能就是利用水解ATP产生的能量将细胞内的H+泵出细胞,在细胞膜外形成H+的电化学势,通过质子驱动力(PMF)的形式,将营养物质与代谢产物进行跨细胞膜的运输。铵态氮是植物根系吸收的主要氮素形态,但它的大量吸收与同化会导致根系分泌大量的H+,造成根际酸化,对大多数陆生植物的生长产生抑制,并造成铵中毒的现象。本实验利用水稻作为研究对象,因为水稻是一种典型的耐铵(NH4+-N)植物,由于水稻生活在淹水的环境中,铵态氮是其吸收的主要氮素形态,它可以适应由于吸收铵而引起的酸性胁迫,研究表明,在这一过程中质膜H+-ATPase起到了十分重要的作用。因此,本实验研究了其根系质膜H+-ATPase在氮、磷吸收过程中的作用及其相应的生理与分子机制。本研究还利用实验室已有的水稻OsA8超表达株系(OE#1),研究了其基本的生理特征,并进一步分析了质子泵活性增高后水稻耐铵的机制。在研究过程中我们还发现,相比硝态氮营养,在铵态氮营养下水稻吸收了更多的磷,因此我们也研究了在铵硝营养下水稻根系质膜H+-ATPase对磷酸盐吸收的作用与机制。研究结果表明：1、不同铵浓度处理下,水稻生长表现出如下特点：在低于1mM铵的条件下水稻表现出缺氮症状；1mMNH4+浓度以上,水稻生长旺盛,但在大于2mMNH4+浓度下,水稻的根系生长也受到了抑制。比较质膜H+-ATPase的活性后发现,其活性随NH4+浓度的升高表现出先升高后下降的趋势,在低浓度下(<1mM)质膜H+-ATPase勺活性逐渐升高,在1mM下达到最大值；而高浓度下(>2mM)下质膜H+-ATPase的活性下降,Western-blot分析发现,质膜H+-ATPase的蛋白浓度变化与其活性相吻合；在表达水平上,地下部的三个基因OSA2、OSA3和OSA7有表达,地上部有四个基因OSA2、OSA3、OSA7和OSA9有表达。因此,部分质膜H+-ATPase基因参与了水稻的耐铵机制。2、水稻OsA8超表达株系OE#1的发芽速度和初生根的生长速度均比野生型WT快,分离细胞膜后发现,OE#1根系细胞膜H+-ATPase的活性比WT的活性明显提高,这个结果证明了细胞伸长过程是受细胞膜ATPase排出的H+的影响,即酸生长学说。因此,细胞膜H+-ATPase舌性高可以促进根系细胞的伸长。3、.为了探究质膜H+-ATPase在铵态氮营养促进磷吸收过程中的作用,野生型日本晴分别经铵态氮营养和硝态氮营养处理,结果表明,铵态氮能促进水稻对磷的吸收.测得其质膜H+-AIPase活性后发现,铵态氮处理后的水稻质膜H+-ATPase活性比硝态氮的要高,Western-blot分析显示造成两者活性不同的原因是该酶蛋白浓度上的差异所造成的；利用半定量RT-PCR方法检测水稻根系质膜H+-ATPase家族基因和磷转运蛋白家族基因的表达情况后发现,铵态氮营养能诱导更多的质膜H+-ATPase家族基因和磷酸盐转运蛋白基因的表达,33P吸收实验的结果进一步证实了质膜H+-ATPase直接参与了铵态氮促进磷吸收的过程.
【作者】刘赣；
【导师】朱毅勇；孙淑斌；
【作者基本信息】南京农业大学，植物营养学，2013，硕士
【关键词】质膜H~+-ATPase；铵态氮；磷；水稻；

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