碱度调节一套独特的基因重新调整体内平衡增长和pH值

介绍

土壤pH值、复合读出来源于风化、气候、植被、和父母的材料,施加各种影响植物生产力和健康。虽然氢离子的浓度可以改变时空上,土壤溶液的pH值是特定栖息地的特征和土壤类型,和支配自然植物群落的成分通过定义的可用性养分,土壤微生物的活动组合,种子发芽率,可用的水容量(蔡和施密特,2021)。土壤pH值的范围可以从极端的酸性pH值(~ 3)极端碱性pH值(~ 9)条件。在酸性土壤中,铝的存在^{3 +},从粘土矿物释放pH值低于5的主要因素与解毒机制不足,限制了物种茁壮成长在这种情况下。碱性土壤,另一方面,极大地限制了可用性的铁和磷、排除所谓嫌钙植物(chalk-fleeing)从这些物种的栖息地。有趣的是,在高粱、耐碱性取决于H₂O₂体内平衡,证明是由非典型G蛋白γ亚基称为碱性公差1(AT1)(Zhang et al ., 2023)。AT1磷酸化的质膜上的水通道PIP2,妥协H的出口₂O₂在碱性介质PIP2和减少增长的性能。碱性钙质土壤含有高水平的钙或镁碳酸盐缓冲土壤pH值,增加和构成进一步限制植物生长在这样的网站。钙生植物(chalk-loving)物种,可以忍受我这些条件能够有效地从顽固的池(磷酸铁和污垢和霍奇森,1968)。如果或者什么extent-pH同样扮演了一个角色在定义钙生植物的行为尚不清楚。

维持胞质内的pH值缩小,微碱性设定值是细胞生存能力的关键。重新调整细胞内质子浓度、植物细胞使用的机制称为生化pH值统计(史密斯和乌鸦,1979),这取决于生产或消费的质子在羧化作用和脱羧的有机酸。此外,电致运输过程由等离子体membrane-localized p型和空泡的V-ATPases有助于细胞体内平衡pH值、监管机制被称为生物物理pH值统计。跨质膜质子迁移改变,然而,细胞质和博士介绍了我,而胞质特性略微碱性pH值中性,植物细胞的质外体是酸性更强,表现为复杂的pH梯度之间的质膜和根细胞的外表面以及径向不同根组织(Martiniere et al ., 2018)。植物细胞的增长与实质性改造周围的坚硬的细胞壁细胞质(•考2018),这一过程是强烈依赖于博士酸性质外体是一个先决条件放宽援助细胞伸长的细胞壁(酸增长理论;海格et al ., 1971)。质外体是由atp酶的酸化泵H⁺从胞质质外体。相比之下,碱度妥协增长我国细胞壁。快速碱化因子(拉尔夫)肽结合细胞表面受体激酶FERONIA(带)和抵消细胞壁的酸化pH值通过抑制H⁺atp酶,可逆地抑制细胞伸长(皮尔斯et al ., 2001;Gjetting et al ., 2020)。值得注意的是,RALF-FER被证明与生长素信号通过上调生长素生物合成和信号,调节根系生长以响应环境刺激(李et al。(2022)。至关重要的是,改变了我pH-either通过控制电致跨质膜质子通量或通过公开媒体不同的植物pH-alters根系生长根据流行的氢离子浓度(李et al ., 2021;林et al ., 2021),确凿的这个概念。

如果植物如何感知的pH值质外体是一个长期存在的谜(蔡和施密特,2021)。最近,双峰当pH值传感系统显示谈判的平衡两个基本任务的根细胞,生长和防御(刘et al ., 2022 a)。在这个系统中,sulfotyrosine残留在根生长因子(RGF)肽是质子化了的在低pH值,促进绑定到其受体RGFR支持分生组织开发通过调节过多蛋白梯度(Aida et al ., 2004;刘et al ., 2022 a)。在pH值升高残渣deprotonated,妥协RGF-RGFR复杂的形成。碱性化的质外体进行pH值传感系统的第二个组件通过删除基本Glu和Asp残留的质子受体蛋白质PEPR,支持绑定的配体PEP1和触发器免疫力。

RGF / PEP-based传感系统是否也适应的关键植物碱性条件还有待阐明。阐明机制,允许外部pH值和pH-dependent知觉调整新陈代谢和成长,我们进行了基因表达分析(嫌钙植物)拟南芥植物受到碱性条件。此外,我们分析了植物暴露于媒体的增长不同的pH值,包括治疗外部pH值与碳酸氢盐补充生长控制的媒体。我们假设短期暴露于高pH值进行或抑制信号级联和运输过程,植物适应碱性条件。采用转录组分析和比较相关的转录组研究中,我们针对披露基因在细胞内的pH值和公认的基因模块与假定的角色内稳态和根的发展。

材料和方法

植物生长条件

拟南芥的种子(答:芥(l)Heynh)加入Col-0得到从拟南芥生物资源中心(俄亥俄州立大学)。种子与35% (v / v)漂白剂消毒,无菌水冲洗5次。植物被种植在生长室固体营养媒体所描述的埃斯特尔和萨默维尔(1987)(ES媒体),5毫米KNO组成₃2毫米MgSO₄,2毫米Ca(没有₃)₂,2.5毫米KH₂阿宝₄70µmM H₃薄₃14µM MnCl₂1µM ZnSO₄0.5µM CuSO₄0.01µM CoCl₂0.2µM Na₂MoO₄,1% (w / v) MES, 1.5% (w / v)蔗糖,固化Gelrite 0.4%纯(研究员)和补充了40µM FeEDDHA。植物被种植在22°C下连续光,100年µmol m²年代¹直到时间的集合。pH值调整到不同的pH值表示。媒体pH值在7.0以上缓冲1 g / L拖把;pH值4.5到6.5媒体1 g / L MES是用作缓冲剂。

pH值的治疗方法

Ten-day-old植物从ES媒体pH值5.5转移到盘子包含媒体调整pH值4.5到8.5增加一个单位。此外,植物被种植在盘子NaHCO补充3毫米₃(pH ~ 6.7)。根暴露6小时或14天不同pH条件孤立在液态氮芽和瞬间冷冻。

RNA-seq度的分析和定义

总RNA分离出10天大的植物的根系生长在最佳pH值(5.5)或暴露六小时pH值7.5媒体使用RNeasy植物迷你包(试剂盒)。三个独立的生物进行复制。图书馆为RNA-seq准备使用Illumina公司TruSeq RNA库准备工具包(rs - 122 - 2001, Illumina公司)根据制造商的协议。四个µg总RNA用于图书馆建设。聚(RNA被oligodT从珠子珠子和分散在筛选了。从分散的RNA合成第一链cDNA使用逆转录酶(SuperScrip三世,猫。18080 - 093号,英杰公司)和随机引物。互补脱氧核糖核酸就转换成双链DNA使用工具箱提供的试剂。反应是清理与Agencourt AMPure XP珠子(贝克曼库尔特基因组学)。在3 '端库end-repaired,腺苷酸,结扎与适配器,和放大后TruSeq™RNA样品制备v2 LS协议。 Finally, the products were purified and enriched with 10 cycles of PCR to create the final double-stranded cDNA library. For quality check, we used the BioRad QX200 Droplet Digital PCR EvaGreen supermix system (Cat. No. #1864034; BioRad, USA) and the Agilent High Sensitivity NGS Fragment Kit (1-6000 bp) (Cat. No. DNF-474-500; Agilent, USA). The prepared library was pooled for paired-end sequencing using Illumina the Novaseq 6000 at Taiwan Genome Industry Alliance Inc. (Taipei City, Taiwan) with 150 bp paired-ended sequence reads. RNAseq reads were pre-processed by trimmomatic (博尔格et al ., 2014)除适配器(参数:ILLUMINACLIP: TruSeq3-PE-2。费尔南多-阿隆索:2:30:10:8:真MINLEN: 80),读取短于80个基点是下降了。通过读取第一次被映射到使用Bowtie2 Araport11数据库记录序列(Langmead扎尔茨贝格,2012);只有读的方式对被接受。其余读取映射到拟南芥基因组注释(TAIR10)使用咩咩的叫声(肯特,2002)。读项基因计算使用RackJ软件包(https://rackj.sourceforge.net/)和归一化到log-count-per-million值使用TMM的方法(罗宾逊和Oshlack, 2010年)。规范化RPKM值从规范化log-count-per-million推断值。度(差异表达基因)被确认为如果相应的差异表达P值小于或等于0.05和叠化大于2。

RT-qPCR

冻植物样本地粉使用试剂盒组织溶解二三个周期为30秒。使用试剂盒进行RNA提取^®试剂;使用NanoDrop RNA进行了测量ND -1000分光光度计。合成第一链cDNA使用1µg RNA工具简单快速RT工具包(Biotools)。三个复制的每个样本测量10µL反应混合物由AB SYBR绿色PCR反应混合液(美国应用生物系统公司,沃尔瑟姆,MA)中使用了AB QuantStudio™12 k Flex实时PCR系统(应用生物系统公司)按照预设的程序。记录使用的比较测定Ct(ΔΔCt)计算方法使用多个控制(EF1α和微管蛋白)。代表相对表达(图2所示^-ΔΔCT)使用GraphPad棱镜9为Windows 64位。引物用于RT-qPCR中列出补充表1。

数据分析

的分析陈et al。(2021)数据集是由制造比较治疗与控制样本的使用与假定值调整学生的学习任务。,和所有其他的数据过滤使用log2f旧换| 1 |。维恩图组装使用维恩图<http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/>;由TBTools热图设计(陈et al ., 2020)都是编辑之。

Co-expression分析

推断出根系比co-expression网络,1194根系比RNA-seq数据集从序列下载阅读档案,主办的国家生物技术信息中心和规范化。网络构建MACCU工具箱(林et al ., 2011co-expression关系的基于两两相比拟南芥基因表达在使用皮尔逊系数表示的数据。在Cytoscape Co-expression网络编辑(香农et al ., 2003)。

植物的生长特点

鲜重、玫瑰大小、叶绿素量化

整个拍摄从10 -或14-day-old植物生长在ES媒体与酸碱值从4.5到8.5在增加一个或媒体与NaHCO补充₃重和叶绿素含量测定用拔牙用80%丙酮从协议被修改吗Lichtenthaler (1987)。玫瑰直径确定使用图像J测量工具(Schindelin et al ., 2012)。

结果

强烈的拟南芥植物的生长受到媒体的pH值的影响

了解关于拟南芥植物的响应外部pH值的变化,我们种植植物进行为期两周的媒体调整pH值在5.5至8.5之间。此外,我们添加了一个治疗中补充了3毫米的碳酸氢盐,导致媒体pH值为6.7。像预期的那样从一个加入这不是来自适应钙质或碱性条件下,植物生长最好的微酸性介质pH值为5.5或6.5 (图1)。增长对媒体与pH值7.5或8.5显著下降增长和植物的叶绿素浓度(图1)。Bicarbonate-treated植物表现出显著减少体重生根,发芽,莲座状,直径和shoot-root比率相比,植物生长在类似的pH值(6.5),表明影响独立的pH值(图1)。值得注意的是,植物生长在bicarbonate-supplemented媒体产生大大延长根比植物生长在pH值5.5或6.5,观察植物也为pH值7.5。刺激根系生长的碳酸氢盐一直报道Zn-inefficient大米品种,而Zn-efficient品种表现出强烈的bicarbonate-induced根生长抑制(杨et al ., 1994)。根系生长与柠檬酸的积累有关,这可能对根伸长,有益的影响可能与更有效的螯合微量元素至关重要。虽然我们只能推测为什么碳酸氢盐和碱性刺激根伸长的拟南芥。柠檬酸含量增加,可能引起更高的atp酶活性和随后的有机酸的积累可能是观察到的根伸长的病因。

暴露于高pH值导致运输过程和曲调生长素内稳态

调查停止增长的原因和叶片萎黄病的植物生长在碱性pH值,我们转移10天大的拟南芥Col-0植物6个小时的微酸性媒体(pH值5.5)媒体调整pH值7.5。根受到基因表达分析通过通过RNA-seq RT-qPCR或转录组分析。后一种方法,共42 - 62 paired-end读取长度为150碱基对是每个图书馆使用Illumina公司NOVAseq Araport 11 6000测序系统和一致的拟南芥基因组的注释。总共有419基因差异表达之间的植物种植在pH值5.5媒体和媒体调整pH值7.5。基因差异表达基因本体的分类突出了氧化还原反应,phenylpropanoid /木质素代谢,对水杨酸和脂肪酸代谢过多类别在这个数据集(补充图S1)。

出人意料地,接触碱度强烈诱导的高亲和性硝酸盐转运蛋白(也就是说,一套NRT2.6。,NRT2.1,NRT2.4,NRT3.1(WR3),NRT1.5;图2;补充表S2)。由于NRT转运蛋白$\text{N}{\text{O}}_3^{-}$/小时⁺转运蛋白、转录水平的增加表明增强跨质膜质子通量。拟合这一概念,还rhizodermal尿素/质子同向转运的表达DUR3(小岛et al ., 2007媒体pH值升高(引起的)图2)。NRT2.1(ΔRPKM ~ 800)WR3(ΔRPKM ~ 400),建议作为NRT2.1-WR3 hetero-oligomer (勇et al ., 2010),是最大的贡献者的增加阴离子/ H⁺-co-transport的转录水平(图2)。自植物被种植在媒体补充足够的硝酸盐含量,感应硝酸盐转运蛋白似乎并不表明低N-status的植物。相反,这个观察表明大量胞质浓缩的质子,一个假设的观察证实了这是线粒体磷酸盐转运蛋白(proton-coupled)PHT3.2后中最强烈的表达下调的基因转移到碱性媒体(图2)。这种类型的质子转运蛋白磷酸/率估计为2 - 4 (Młodzińska Zboińska, 2016),这表明快速损耗的质子在胞质这个运输机是活跃的。

酸盐转运体的表达ALMT1在应对高pH值降低(图2)。转让后转录丰度低pH值7.5中也观察到空泡的铁转运体VTL5,大概是为了避免胞质铁损耗。除了细胞内铁贩卖,锌的吸收^{2 +}从土壤溶液通过ZIP4被提升在高pH值;表达式的锌^{2 +}流出的蛋白质PCR2表达下调(图2)。

符合假设高pH值是影响增长,多个基因参与生长素信号和传输被发现受媒体转移到高pH值。这个子集包括几个多小生长素调节,上调RNA(阿富汗二月)的基因(例如,SAUR38,SAUR40,SAUR41,SAUR44,SAUR55,SAUR64),可能会促进细胞扩张。专门在这个过程中被描述函数SAUR40和SAUR41 (邱et al ., 2020)。此外,细胞内的生长素内稳态的影响通过pH-dependent调节生长素流出的基因PILS3和ZIFL1(图2;补充表S2)。在一起,这些观察结果表明,质子跨膜运输、金属运输,生长素内稳态的过程是最突出反映在转录组剖面在暴露于高pH值变化。

基因的表达对碱度是在广泛的pH值改变

获得更详细的图片的pH-dependence转录,从植物选择基因的mRNA水平受到短期(6小时)或长期(14天)增长与不同的pH值是由RT-qPCR(媒体图3)。基因表达似乎是积极响应短期外部pH / pH值的范围的变化,植物是现实暴露在自然栖息地。硝酸的转运蛋白NRT2.4,NRT2.6,和NRT3.1,植物细胞内Ras-group-related远程雷达PIRL8,加氧酶S8H,DUF642蛋白质At2g41810回应治疗连续增加转录水平从低到高博士类似的模式也被观察到EXPA17,编码一个棒曲霉素,促进侧根的形成(李和金,2013年),尽管大幅减少糖皮质激素受体基因的表达在最高博士组成漆酶的基因的一套房LAC7细胞色素P450的蛋白质CYP82C4病原体防御基因MLO6苹果酸流出运输车ALMT1,激酶应力诱导因子1(SIF1),一种相反的模式被记录。NRT1.1,主要的硝酸根,显示明显的upregulation在低pH值和转录水平急剧下降5.5高酸度,停滞不前。测试的两个基因,SWEET12和SAUR44显示,一个更复杂的模式(图3)。基因表达模式观察6小时后一直没有太大的变化,当植物受到各种媒体扩展实验段14天(补充图S2)。还应该指出的是,碳酸氢盐治疗导致基因表达变化,符合媒体的pH值,而不是被盐的存在。

比较反应碱度,缺铁,碳酸氢盐,酸度标识守恒的基因簇

在土壤pH值升高通常与低可用性相关的铁,不包括物种栖息地等低效的铁吸收系统。暴露于高pH值是否会影响植物的铁状态,我们比较转录组的pH值7.5植物“ferrome”,一套基因被发现强劲调制通过铁供应在几项研究(谢长廷et al ., 2022)。而高pH值强烈限制铁的可用性原位,在目前的实验设置铁流动性持续在pH值范围宽,为植物提供高度稳定的铁FeEDDHA形式。ferrome基因的一个小子集明显影响根的植物暴露于pH值7.5,可能在预期的铁缺乏通常与pH值增加(图4)。明显upregulation观察东莨菪亭羟化酶S8H,一个基因参与的生产iron-mobilizing香豆素fraxetin (蔡et al ., 2018;Gautam et al ., 2021)。此外,空泡的金属转运蛋白MTP8,IREG2,VTL5进化枝Ib转录因子bHLH100,LAC7和H₂O₂反应的基因HRG1受pH值7.5治疗(龚et al ., 2021)。有趣的是,一套17(主要是表达下调)ferrome基因也是由低pH值调制(图4),突显出pH值和铁可用性之间的联系。HRG1是唯一ferrome基因部分低铁和高pH值的数据集。

碳酸氢盐水平高的存在负面影响基本矿物的吸收营养物质,包括铁(陈et al ., 2021)。探讨如何应对碳酸氢盐与缺铁和高pH值,我们比较了pH值7.5数据集与之前发表的转录组变化从植物根生长在bicarbonate-supplemented媒体(陈et al ., 2021)。Bicarbonate-treated植物上明显的缺铁反应,影响的一个子集47 ferrome基因的表达(44%;图4)。此外,在119年这种增长类型的一个子集对pH值7.5是差异表达的基因。基因的相对较大的重叠碳酸氢盐与pH值7.5和缺铁影响转录组表明bicarbonate-treated植物强烈应对高pH值和缺铁除了碳酸氢的存在引发的反应。

我们进一步比较了pH值7.5的转录组数据集植物生长在circumneutral媒体补充了一个固定铁源(无效的铁;navFe)。只有一个相对小的子集的ferrome基因之间差异表达的基因中植物生长在navFe媒体(pH值7.0)和那些生长在iron-deplete媒体酸性pH值(5.5),但是一个更大的基因转录组(41)是由在pH值7.5 (图4)。看来应对高pH值明显不同,但部分重叠与观察植物缺铁。

因为许多pH值7.5基因的表达也响应低pH值,我们包含了一个数据集来自植物的根暴露1或8小时pH值4.5的比较(啤酒et al ., 2010)。pH值7.5的转录组和navFe植物表现出类似的基因响应低pH值的比例(分别为19%和21%;图4)。bicarbonate-treated这个数字较低(12%)和缺铁植物(14%),表明在这些增长类型的响应缺铁和碳酸氢盐是主导和整体转录变化由媒体pH值的变化影响较小。

基因参与生长、体内平衡pH值和防御植物适应碱度

识别关键球员授予钙生植物的行为,我们比较差异表达基因与严格的阈值内的五个数据集(三倍log2基础上改变)和条件下,基因不同监管在至少三个五个条件的研究(图5)。这个保守的基因比较强调三个集群基于他们对给定的环境条件。第一组(集群1;细胞伸长)包含在所有四个差异表达基因pH-related治疗(即而接受调查。pH值7.5,pH值4.5,navFe bicarbonate-treated植物)。三个调节基因集群包含DUF642域编码蛋白质。这个域局限于种子植物和推定地参与homogalacturan酯化,过程与细胞壁放松有关。另外两个调节基因在这个集团pectin-lyase At2g43890棒曲霉素EXPA17,也调解细胞wall-related流程。此外,这个集群包含多个基因参与生长素等体内平衡SAUR41,SAUR44生长素转运蛋白PILS3。一般来说,基因影响低pH值呈负监管的三个高pH值的治疗方法。细胞伸长集群还包含基因编码的信号蛋白或转录因子在很大程度上是无证等SIF1和植物细胞内的RAS与群体相关的远程雷达8(PIRL8),代表最显著的调节基因在这一组。值得注意的是,PIRL8是显示中的EXPA17并建议扮演一个角色在auxin-mediated侧根增长(侯赛因et al ., 2022)。敏感质子RHIZOTOXICITY 2(STOP2),一个同族体STOP1,只编码转录因子在这个模块。

第二组(集群2;“pH稳态”)是由单独的基因受治疗实施高博士,最强烈的两个调节基因内的pH值7.5转录组发现,硝酸运输车NRT2.6(上)和nitrate-inducible类我谷氨酰胺amidotransferase-like总科蛋白质At5g38200(下跌)。此外,NRT2.1,NRT3.1,基因参与细胞壁修饰,extra-cytoplasmatic远程雷达激酶(At5g59680)是集群的一部分。

第三个模块(集群3;传感和国防)是由基因的响应性高和低pH值(而不是铁)和包含两个免疫response-inducing分泌肽,At1g50050帽总科蛋白质,植物诱导子肽PEP2。PEP1, PEP2同族体,最近被证明感觉细胞外碱度诱导免疫受体激酶PEPR通过绑定(刘et al ., 2022 a)。该模块还包含注意非法extra-cytoplasmatic受体激酶At3g46270,我们叫pHRK1 (pH-RECEPTOR激酶1)。pHRK1及其同族体pHRK2(At3g46280)都是调节pH值升高和以前发现的管制stop1突变体(Sawaki et al ., 2009)。

Co-expression分析揭示了一个假定的pH稳态模块

进一步阐明植物适应外部pH值的过程中,我们构建了网络基于成对比较的差异表达基因的co-expression关系1194根系比使用数据基地规范化RNA-seq数据集的序列读取存档,由国家生物技术信息中心和内部开发MACCU工具箱(林et al ., 2011)。pH值7.5植物,组成的一个subcluster co-expression网络特性pHRK1,STOP2,SIF1,LAC7,ALMT1,SAUR55,alpha-dioxygenaseDOX1(图6)。这个子集出现在低pH值是守恒的,但基因通常监管在相反的方向(图6 b;图7)。值得注意的是,这个子集也是co-expression网络的一部分来源于bicarbonate-treated植物(补充图S3)。一些观察到的基因网络的pH值7.5植物(例如,STOP2,EXPA17,LAC7,DOX1,ALMT1)保存在网络来源于navFe植物(补充图S4)。co-expression分析表明一套公认中的粘住的一组基因,参与适应外部pH值在一个广泛的质子浓度。

讨论

碳酸氢盐,但不是碱度因此触发一个缺铁的反应

类似于已经观察到植物应对低pH值(啤酒et al ., 2010),我们在这里展示短期暴露于中等碱度会导致明显的拟南芥根细胞的转录组剖面的变化。铁的phyto-availability密切相关,土壤pH值,大大减少在博士因此可以推测碱度升高引起缺铁的反应,要么是“真正的”铁损耗的结果在工厂内,造成吸收铁,受损或预期较低的铁供应通常与碱性基板。然而,这并不是如此,只有一个小的一部分ferrome基因的影响通过提高媒体博士小重叠的两个数据集似乎并没有造成的短实验周期;six-hour-transfer iron-deplete媒体足以产生一个更明显的铁应激反应(谢长廷et al ., 2022)。假定高pH值和缺铁引起分离信号级联符合限制铁可用性的观察circumneutral pH值(navFe植物)不只是加强ferrome基因的表达(蔡和施密特,2021)。相反,这种治疗诱导一个单独的,主要pH-dependent组基因。

长期bicarbonate-treated植物(陈et al ., 2021)显示出更明显比pH值7.5植物缺铁和碱度,尽管pH值变化引起的碳酸氢盐是那么严重。值得注意的是,短期暴露于碳酸氢产生了反应,不是不同pH值的影响(本研究)。然而,当我们接触植物14-day-period碳酸氢盐,增长比预期更多的限制对pH值的影响,表明碳酸氢的存在执行其他约束的体内平衡增长和矿物营养物质如铁。碳酸氢盐对pH值的影响,iron-responsive基因可能加剧了强劲的缓冲盐的影响,损害补偿措施,调整了我和细胞质pH值以及铁分布和体内平衡。

外部通过阴离子调节pH值改变质子通量/ H⁺co-transporters

免费的胞质H⁺浓度在sub-micromolar范围(韦格纳et al ., 2021),必须仔细平衡,以避免胞质pH值的波动和随后的细胞功能的扰动。pH值调整细胞被认为是由H的组合⁺第和H⁺消耗的反应与H⁺运动在质膜(史密斯和乌鸦,1979)。活动的变化$\text{N}{\text{O}}_3^{-}$/小时⁺co-transporters明显影响质外体和胞液的pH值(风扇et al ., 2016;周et al ., 2021)。当前的分析表明,戏剧性的变化在anion-coupled跨膜H⁺通量是植物暴露于碱性pH值的一般特性;增加硝酸盐转运蛋白的表达在pH值7.5,navFe, bicarbonate-treated植物。值得注意的是,诱导NRT同系物在碱性pH值在植物蛋白质组学对甜菜的调查(耿et al ., 2021),这表明这种反应可以跨物种是守恒的。Upregulation的NRT2.1和NRT3.1也报道nitrate-treated植物(比达尔et al ., 2013),情况与相关酶的诱导等硝酸盐同化硝酸还原酶NR1和NR2。明显,在所有三个高pH值治疗,转运蛋白丰度的增加似乎并没有与硝酸盐同化。NR基因要么不规范(pH值7.5和navFe植物)或显著压抑(bicarbonate-treated植物)在暴露于高pH值(补充表S3)。例如,NR1三倍调节nitrate-starved植物,但5倍下调接触碳酸氢盐。这个观察像其他基因编码酶参与的监管等硝酸盐同化谷氨酰胺合成酶GLN2和GSR2以及谷氨酸合酶GLT1负调控在nitrate-starved和bicarbonate-treated植物(补充表S3)。类似于pH值7.5植物,谷氨酰胺amidotransferase At5g38200强烈表达下调的碳酸氢盐植物但nitrate-treated调节植物。看来吸收,但不是同化硝酸吸收由高pH调节。

质子体内平衡的假设是硝酸盐转运蛋白的诱导背后的推动力量是支持的明显upregulation其他阴离子/ H⁺co-transporters等DUR2和NRT2.6,一个常见的所有高pH值观察治疗。进一步支持这一假设的差别来自于对这些细胞内离子/ H⁺co-transporters等PHT3; 2(pH值7.5植物)SULTR3.5(在bicarbonate-treated植物)调解运输过程会消耗质子在细胞质中。PHT3; 2和SULTR3.5大幅上调nitrate-starved植物,进一步支持这个想法,硝酸引发的反应不同于高博士还值得注意的是,表达式的硝酸出口国NAXT1是压抑nitrate-starved和bicarbonate-treated植物。NAXT1蛋白质丰度是由强大的酸中毒诱导(Segonzac et al ., 2007硝酸),进一步表明体内平衡pH值受外部影响也不同。

酸性和碱性pH值产生不同的硝酸盐转运蛋白

硝酸运输车NRT1.1是招募重新调整了我当植物暴露于酸性pH值(你们et al ., 2021)。符合这个概念,我们的数据证实,酸性pH值支持NRT1.1表达,观察,早些时候报道(-蔡et al ., 1993)。值得注意的是,NRT1.1活动,从而影响铁的利用率在叶片质外体的碱性化(你们et al ., 2022)。自铁可用性是严格限制在碱性环境中,减少而不是增加proton-coupled co-transport流程时应将植物受到高博士背后的基本原理——铁收购条款违反直觉的感应硝酸盐转运蛋白在暴露在低和高pH值可能是简单的优先事项。细胞体内平衡pH值可能难以实现的外部pH值7.5,这可能增加胞质pH值和大规模扰乱细胞功能没有干预。在酸性pH值,当pH值的增加是至关重要的,以避免由于Al细胞损伤^{3 +}毒性,但质子吸收硝酸与不严重影响酸度梯度跨质膜自外部不同pH值只有一个单元的最佳生长条件嫌钙植物物种拟南芥。

这个问题的答案的原因不同$\text{N}{\text{O}}_3^{-}$转运蛋白被雇在低和高pH值(即。,NRT1 vs NRT2) may lie in the fact that this differential recruitment upon high pH have distinct effects on root architecture. NRT2.1 was shown to promote lateral root initiation (重新获得勇气et al ., 2006;范Gelderen et al ., 2021),支持表层土觅食的磷酸盐,稀缺资源在高pH值的环境。NRT2.1根发展的影响,然而,高度依赖于植物的N-status (小et al ., 2005),可能会产生一个明显的石灰质土壤中读出。在大米、超表达的OsNRT2.1增强的主要根的伸长(纳兹et al ., 2019)产生影响,可以抵消根系生长抑制碱性博士因此容易假定不同NRT的招聘转运蛋白在应对外部pH值可以使根系生长和建筑适应的土壤条件。至关重要的是,在pH值7.5和bicarbonate-treated植物,一群五nitrate-inducible硫氧还蛋白(GRXS)调节。过度的GRXS基因被证明抑制硝酸盐转运蛋白的表达NRT2.6和NRT3.1(Ehrary et al ., 2020)。它可以假设GRXS基因诱导高pH值平衡明显诱导基因硝酸吸收在应对高pH值。

守恒的基因模块协调根系生长,以应对外部的pH值

酸增长理论假定,当pH值降低高速增长通过加强细胞壁和损害细胞的伸长。根系生长是如何调整以应对土壤pH值尚未阐明。目前调查突显出一套强劲pH-regulated基因组成pHRK1,SIF1,LAC7,DOX1, SAUR55,STOP2,ALMT1这可能在pH-dependent增长调控中发挥作用。特别感兴趣的是胞外受体激酶pHRK1,这是与基因中的铁吸收和体内平衡假定的铁等传感器BTSL1和BTSL2(补充图S5)。之间的确切联系高pH值信号和铁代谢还有待建立。pHRK1预测与肝家族转录因子相互作用蛋白质At5g19970 ferrome成员(补充图S6)。符合这样的连接作用,At5g19970响应缺铁,碳酸氢盐,硝酸,navFe(虽然略超过设定假定值0.05在后者的情况下)。看来应对高pH值,缺铁和硝酸——某种程度上,通过策划一些杂乱的节点互联反应植物到给定的一组土壤条件(图7)。

的差别明显的对这些ALMT1在所有高pH值的治疗是一个意想不到的观察。由于ALMT1的功能^{3 +}通过苹果酸分泌解毒(Hoekenga et al ., 2006;小林et al ., 2007),一个将不会有很大差异转录丰度之间的转运体植物生长的最优(pH值5.5)和碱性博士ALTM1是,然而,在调节根分生组织的活动同样重要,因此,根的生长。缺磷,异常的铁沉淀在质外体由multi-copper氧化酶LPR2和peroxidase-mediated铁氧化还原循环导致分生组织疲惫,细胞壁硬化和随后的增长逮捕(穆勒et al ., 2015;Balzergue et al ., 2017)。在这种背景下,磷缺乏促进的表达ALMT1和压制主根系生长。类似于缺磷,$\text{N}{\text{H}}_4^{+}$毒性导致主根系生长抑制(Rogato et al ., 2010)。正向遗传筛选突变体是迟钝的$\text{N}{\text{H}}_4^{+}$全身的根系生长停止确认LPR2是这个过程的关键(刘et al ., 2022 b)。类似于磷酸饥饿下所观察到的,$\text{N}{\text{H}}_4^{+}$全身的根系生长抑制伴随着巨大的铁沉淀在质外体(这里只由LPR2),这是调节$\text{N}{\text{H}}_4^{+}$。$\text{N}{\text{H}}_4^{+}$全身的氧化还原循环的铁与活性氧的形成有关,进而妥协蔗糖在韧皮部运输。增加$\text{N}{\text{O}}_3^{-}$吸收防止异常的铁沉积,从而维持韧皮部函数和蔗糖供应根细胞。根韧皮部的完整性是至关重要的持续增长来抵消高外部博士的抑制作用,在当前的调查中,蔗糖转运蛋白SWEET11和SWEET12在高博士表达的诱导multi-copper氧化酶类LAC7和LPR1 / LPR2是最高的石碑(http://bar.utoronto.ca/eplant),局限于细胞外基质和蛋白质对其理化性质有相似之处(补充图S7)。人们很容易认为ALMT1,LAC7,DOX1调整增长反应和与外部博士在这个场景中,LAC7会调节根分生组织活动在正常和酸性增长条件下,当基因强烈压抑在高pH值、根系生长在哪里受到降低细胞壁可扩展性。

支持这个概念来自另一个观察。两个nitrate-inducible GARP-type(做业)转录阻遏物参与集成的N - P-signaling,HHO1和HRS1,被发现是强烈bicarbonate-treated植物中表达下调。缺磷诱导的表达做业基因,从而抑制NRT2.1-mediated硝酸盐吸收和主根系生长(美第奇et al ., 2015)。值得注意的是,HHO1和HRS1在nitrate-starved诱导植物,可能调节呢NRT2.1表达当N供应恢复。的差别,这些数据表明,对这些基因LAC7/DOX1/ALMT1模块在高酸度根分生组织的活动适应主流的外部。

结论

目前的调查使我们能够推断出自己的一套策略,帮助植物生长在碱性基板,包括基因推定地参与信号细胞外的细胞内的pH值和调整博士我们进一步发现暴露于高pH调节转录水平(作为改变的代理活动)阴离子/ H⁺耦合传输过程的方式确保质子的浓缩细胞内部,可能抵消细胞质的碱性化。根的监管架构由硝酸盐和硝酸盐转运蛋白是复杂和相互关联的生长素运输(贾·冯·Wiren, 2020),使得预测关于这些变化在应对高pH值模糊的信息。然而,一致性和鲁棒性的表达变化的基因参与proton-coupled运输过程强烈暗示,这些变化使植物适应碱度。最后,我们表明,强劲中的模块组成ALMT1,LAC7,DOX1假定的调节主要根pH-dependent的方式增长。而这些自适应过程的生理作用和生态相关性等待实验验证,我们相信,我们的研究为后续研究提供指导,将有助于阐明钙生植物的分子基础的行为。

数据可用性声明

在这项研究中提出的数据集可以在网上找到存储库。库的名称/存储库和加入号码可以找到(s)如下:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/,SRR22018204 ~ 9。

作者的贡献

MB, E-JH H-HT,基于“增大化现实”技术进行了实验和分析数据。WS构思项目,分析了数据,并起草了手稿。所有作者手稿编辑和批准草案的最终版本。

资金

这项工作是由一个中央研究院研究员奖(ia - 111 l03) WS。

确认

我们感谢Shou-Jen周从基因组技术核心设施IPMB准备RNA-seq分析库。我们还要感谢Mei-Jane方从基因组研究所的技术核心设备利用植物和微生物生物学QuantStudio 12 k Flex实时PCR系统。作者最感激Wendar林博士提供的支持生物信息学在IPMB核心设施,中央研究院。我们承认使用BioRender软件(https://biorender.com用于生成本文的数据)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2023.1100701/full补充材料

补充图1 |过多去pH值7.5分类数据集。

补充图2 |RT-qPCR分析选定pH-dependent基因决定暴露在各种治疗后14天。

补充图3 |Co-expression bicarbonate-treated工厂网络。

补充图4 |Co-expression navFe工厂网络。

补充图5 |在pHRK1 Co-expression网络。

补充图6 |PPI pHRK1网络。

补充图7 |序列比对的multi-copper氧化酶类LPR1, LPR2, LAC7。

引用