Thời gian phản ứng ion và phân tích proteomic của lúa mạch hoang Tây Tạng ở giai đoạn đầu dưới căng thẳng muối

Qiufang Shen1, Liangbo Fu1, Long Qiu2, Feng Xue1, Guoping Zhang1, Dezhi Wu1
1Department of Agronomy, Key Laboratory of Crop Germplasm Resource of Zhejiang Province, Zhejiang University, Hangzhou, China
2Life Science and Technology Center, China Seed Group Co., Ltd., Wuhan, China

Tóm tắt

Lúa mạch (Hordeum vulgare L.) nổi tiếng với khả năng chịu mặn tương đối cao trong số các loại cây lương thực. Tuy nhiên, sự biến đổi gen của lúa mạch được trồng ngày càng trở nên hẹp hơn do quá trình chọn giống và lai tạo liên tục. So với lúa mạch trồng, lúa mạch hoang có sự biến đổi gen rộng hơn và nguồn tài nguyên phong phú cho khả năng chịu đựng stress không sinh học, được coi là tài nguyên ưu việt cho nghiên cứu cơ chế chịu mặn. Trong nghiên cứu này, lúa mạch hoang Tây Tạng XZ113, được xác định có khả năng chịu mặn cao, đã được sử dụng để điều tra phản ứng ion và xác định các protein liên quan đến khả năng chịu mặn ở rễ và thân trong giai đoạn đầu của stress muối, kéo dài trong 48 giờ. Khi tiếp xúc với nồng độ mặn, sự sinh trưởng của thân nhạy cảm hơn so với sự sinh trưởng của rễ. Ngược lại, tỷ lệ K/Na trong thân lớn hơn tỷ lệ trong rễ, và cả hai đều trên 1.0. Kết quả thí nghiệm dòng chảy K+ ổn định cho thấy XZ113 có khả năng giữ K+ mạnh mẽ dưới tình trạng stress muối, có thể góp phần vào hiệu suất sinh trưởng tuyệt đối tốt của nó. Kết quả proteomic cho thấy rằng monodehydroascorbate reductase và peroxidases liên quan đến việc loại bỏ các loại oxy phản ứng trong rễ, và phosphoglycerate kinase, triosephosphate isomerase và sedoheptulose-1,7-bisphosphatase liên quan đến quang hợp và chuyển hóa trong thân, đóng vai trò quan trọng trong khả năng chịu mặn ở giai đoạn đầu của nồng độ muối ở lúa mạch hoang.

Từ khóa

#lúa mạch hoang #khả năng chịu mặn #phản ứng ion #phân tích proteomic #căng thẳng muối

Tài liệu tham khảo

Blumwald E (2000) Sodium transport and salt tolerance in plants. Curr Opin Cell Biol 12(4):431–434 Chen ZH, Newman I, Zhou MX, Mendham N, Zhang GP, Shabala S (2005) Screening plants for salt tolerance by measuring K+ flux: a case study for barley. Plant Cell Environ 28(10):1230–1246 Chen ZH, Pottosin II, Cuin TA, Fuglsang AT, Tester M, Jha D, Zepeda-Jazo I, Zhou MX, Palmgren MG, Newman IA, Shabala S (2007) Root plasma membrane transporters controlling K+/Na+ homeostasis in salt-stressed barley. Plant Physiol 145(4):1714–1725 Cheng YW, Qi YC, Zhu Q, Chen X, Wang N, Zhao X, Chen HY, Cui XJ, Xu LL, Zhang W (2009) New changes in the plasma-membrane-associated proteome of rice roots under salt stress. Proteomics 9(11):3100–3114 Dai F, Nevo E, Wu DZ, Comadran J, Zhou MX, Qiu L, Chen ZH, Beiles A, Chen GX, Zhang GP (2012) Tibet is one of the centers of domestication of cultivated barley. Proc Natl Acad Sci USA 109:16969–16973 Deinlein U, Stephan AB, Horie T, Luo W, Xu GH, Schroeder JI (2014) Plant salt-tolerance mechanisms. Trends Plant Sci 19(6):371–379 Ellis RP, Forster BP, Robinson D, Handley LL, Gordon DC, Russell JR, Powell W (2000) Wild barley: a source of genes for crop improvement in the 21st century? J Exp Bot 51(342):9–17 Ellouzi H, Ben Hamed K, Hernandez I, Cela J, Muller M, Magne C, Abdelly C, Munne-Bosch S (2014) A comparative study of the early osmotic, ionic, redox and hormonal signaling response in leaves and roots of two halophytes and a glycophyte to salinity. Planta 240(6):1299–1317 Geiger TR, Keith CS, Muszynski MG, Newton KJ (1999) Sequences of three maize cDNAs encoding mitochondrial voltage-dependent anion channel (VDAC) proteins (accession nos. AF178950, AF178951, and AF178952) (PGR 99-156). Plant Physiol 121(2):686 Glenn EP, Brown JJ, Blumwald E (1999) Salt tolerance and crop potential of halophytes. Crit Rev Plant Sci 18(2):27–255 Gorham J, Wyn Jones RG, Bristol A (1990) Partial characterization of the trait for enhanced K+–Na+ discrimination in the D genome of wheat. Planta 180:590–597 Guo L, Wang ZY, Cui WE, Chen J, Liu MH, Chen ZL, Qu LJ, Gu HY (2006) Expression and functional analysis of the rice plasma-membrane intrinsic protein gene family. Cell Res 16(3):277–286 Han Y, Yin SY, Huang L (2015) Towards plant salinity tolerance-implications from ion transporters and biochemical regulation. Plant Growth Regul 76(1):13–23 Horie T, Karahara I, Katsuhara M (2012) Salinity tolerance mechanisms in glycophytes: an overview with the central focus on rice plants. Rice 5:11 Kohzuma K, Dal Bosco C, Meurer J, Kramer DM (2013) Light- and metabolism-related regulation of the chloroplast ATP synthase has distinct mechanisms and functions. J Biol Chem 288(18):13156–13163 Kosová K, Vítámvás P, Prášil IT, Renaut J (2011) Plant proteome changes under abiotic stress—contribution of proteomics studies to understanding plant stress response. J Proteomics 74:1301–1322 Kosová K, Vítámvás P, Urban MO, Prášil IT (2013a) Plant proteome responses to salinity stress—comparison of glycophytes and halophytes. Funct Plant Biol 40:775–786 Kosová K, Prášil IT, Vítámvás P (2013b) Protein contribution to plant salinity response and tolerance acquisition. Int J Mol Sci 14:6757–6789 Maathuis FJM, Amtmann A (1999) K+ nutrition and Na+ toxicity: the basis of cellular K+/Na+ ratios. Ann Bot 84(2):123–133 Maurel C, Verdoucq L, Luu DT, Santoni V (2008) Plant aquaporins: membrane channels with multiple integrated functions. Annu Rev Plant Biol 59:595–624 Munns R, Tester M (2008) Mechanisms of salinity tolerance. Ann Rev Plant Biol 59:651–681 Munns R, James RA, Xu B, Athman A, Conn SJ, Jordans C, Byrt CS, Hare RA, Tyerman SD, Tester M, Plett D, Gilliham M (2012) Wheat grain yield on saline soils is improved by an ancestral Na+ transporter gene. Nat Biotech 30:360–364 Nevo E (2007) Evolution of wild wheat and barley and crop improvement: studies at the institute of evolution. Isr J Plant Sci 55(3–4):251–262 Qiu L, Wu DZ, Ali S, Cai SG (2011) Evaluation of salinity tolerance and analysis of allelic function of HvHKT1 and HvHKT2 in Tibetan wild barley. Theor Appl Genet 122:695–703 Rasoulnia A, Bihamta MR, Peyghambari SA, Alizadeh H, Rahnama A (2011) Proteomic response of barley leaves to salinity. Mol Biol Rep 38:5055–5063 Rengasamy P (2010) Soil processes affecting crop production in salt-affected soils. Funct Plant Biol 37:613–620 Rosenthal DM, Locke AM, Khozaei M, Raines CA, Long SP, Ort DR (2011) Over-expressing the C3 photosynthesis cycle enzyme sedoheptulose-1-7 bisphosphatase improves photosynthetic carbon gain and yield under fully open air CO2 fumigation (FACE). BMC Plant Biol 11:123 Shabala S (2000) Ionic and osmotic components of salt stress specifically modulate net ion fluxes from bean leaf mesophyll. Plant, Cell Environ 23(8):825–837 Shabala S, Cuin TA (2008) Potassium transport and plant salt tolerance. Physiol Plantarum 133(4):651–669 Shabala S, Shabala S, Cuin TA, Pang JY, Percey W, Chen ZH, Conn S, Eing C, Wegner LH (2010) Xylem ionic relations and salinity tolerance in barley. Plant J 61:839–853 Tester M, Davenport R (2003) Na+ tolerance and Na+ transport in higher plants. Ann Bot 91(5):503–527 Tyerman SD, Niemietz CM, Bramley H (2002) Plant aquaporins: multifunctional water and solute channels with expanding roles. Plant Cell Environ 25:173–194 Wang WS, Zhao XQ, Li M, Huang LY, Xu JL, Zhang F, Cui YR, Fu BY, Li ZK (2016) Complex molecular mechanisms underlying seedling salt tolerance in rice revealed by comparative transcriptome and metabolomic profiling. J Exp Bot 67(1):405–419 Wen GQ, Cai L, Liu Z, Li DK, Luo Q, Li XF, Wan JM, Yang Y (2011) Arabidopsis thaliana VDAC2 involvement in salt stress response pathway. Afr J Biotechnol 10(55):11588–11593 Wu DZ, Qiu L, Xu LL, Ye LZ et al (2011) Genetic variation of HvCBF genes and their association with salinity tolerance in Tibetan annual wild barley. PLoS ONE 6:e22938 Wu DZ, Cai SG, Chen MX, Ye LZ, Chen ZH, Zhang HT, Dai F, Wu FB, Zhang GP (2013a) Tissue metabolic responses to salt stress in wild and cultivated barley. PLoS One 8:55431 Wu DZ, Shen QF, Cai SG, Chen ZH, Dai F, Zhang GP (2013b) Ionomic responses and correlations between elements and metabolites under salt stress in wild and cultivated barley. Plant Cell Physiol 54(12):1976–1988 Wu DZ, Shen QF, Qiu L, Han Y, Ye LZ, Jabben Z, Shu QY, Zhang GP (2014) Identification of proteins associated with ion homeostasis and salt tolerance in barley. Proteomics 14:1381–1392 Zhang B, Li PF, Fan FC (2012a) Ionic relations and proline accumulation in shoots of two Chinese Iris germplasms during NaCl stress and subsequent relief. Plant Growth Regul 68(1):49–56 Zhang H, Han B, Wang T, Chen S, Li HY, Zhang YH, Dai SJ (2012b) Mechanisms of plant salt response: insights from proteomics. J Proteome Res 11:49–67 Zhu JK (2002) Salt and drought stress signal transduction in plants. Ann Rev Plant Biol 53:247–273