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LPR2蛋白调控拟南芥根系铵毒害的作用机制研究

批准号:
32100232
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘星星
依托单位:
学科分类:
植物与环境互作
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘星星

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
铵态氮是植物可利用的主要氮源之一,但以铵态氮为主要氮源或唯一氮源时,植物生长会表现出严重的毒害现象,其中根系生长抑制是典型铵毒症状。目前,国内外学者已提出多种可能的铵毒产生机制,但其确切机制仍不清晰。本申请项目基于前期发现的亚铁氧化酶LPR2介导韧皮部铁沉积在铵胁迫抑制根系生长中起关键作用的现象,利用现有LPR2相关的拟南芥遗传材料为主要研究对象,从铵胁迫调控根系组织中LPR2的表达特征及其与韧皮部铁沉积的耦合关系入手,重点研究LPR2介导的铁沉积过程在诱导氧自由基产生和胼胝质积累中的作用,以及由此引发的韧皮部蔗糖运输-卸载阻抑对根系生长发育的影响,以期系统解析LPR2在植物铵胁迫抑制根系生长中的作用机制,进而为农业生产或生态保护中解决铵毒问题提供相关理论依据。
英文摘要
Ammonium is one of the main forms of plant-available nitrogen sources. Nevertheless, when ammonium is the predominant or the only source of nitrogen, ammonium is notorious for its toxic effects in most plants, including stunting root growth. Although several possible mechanisms for ammonium toxicity have been proposed previously, the exact mechanisms underlying ammonium toxicity in plants remain elusive. On the basis of our recent finding that LPR2-dependent iron deposition in phloem plays an important role in root growth arrest under ammonium stress, the present project will be aimed to investigate the underlying mechanisms for ammonium toxicity by using LPR2-related Arabidopsis genotypes. Firstly, we will analyze the spatiotemporal expression pattern of LPR2 response to ammonium stress and its coupling relationship with iron deposition in the phloem. Afterward, we will clarify the role of iron deposition in ROS (Reactive Oxygen Species) burst and callose accumulation in the phloem. Finally, we will focus on investigating the relationship between the inhibition of sucrose transporting due to callose deposition in phloem and the root growth arrest under ammonium stress. The studies of this project will provide a theoretical basis for coping with ammonium toxicity in agriculture and ecosystems.
氮是植物生长必需的大量元素,其中铵态氮和硝态氮是植物主要利用的无机氮源,尽管铵态氮是植物可利用的优势氮源,但以铵态氮为主要或唯一氮源时,植物生长会表现出严重的毒害现象。本研究筛选到一株根系生长具有显著NH4+耐性的T-DNA插入突变体isas1,并鉴定其插入片段造成LPR2蛋白功能缺失。在lpr2-1背景上回补LPR2基因表达可以恢复突变体的铵耐性表型,证明LPR2是铵抑制根系生长的关键调控基因。进一步利用YFP荧光标记及酶活性检测表明LPR2具有亚铁氧化酶活性且表达在根系中柱质外体空间。此时,受铵诱导表达的LPR2可通过亚铁氧化过程促进铁在根系韧皮部沉积,并猝发活性氧产生,进而引起韧皮部胼胝质积累。进一步利用蔗糖类似物秦皮甲素标记试验发现NH4+诱导的韧皮部胼胝质积累显著减弱了同化物在韧皮部中的运输速率以及在根尖的卸载。综上所述, 本研究阐明韧皮部质外体铁积累是铵抑制植物根系生长的关键成因,亚铁氧化酶LPR2是调控相应通路(铁积累-氧自由基产生-级联胼胝质积累-韧皮部运输阻抑)的核心基因。该研究提出一种全新的铵毒发生机制,可为解决农业生产或生态保护中的铵毒问题提供理论依据和解决思路。
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