单碳代谢在镧处理的繁殖期植物根系中的作用

稀土元素(REEs)农用研究已百年。研究发现,REEs可通过改变植物生理代谢、物质合成和细胞活动等影响植物生长,但REEs如何影响这些生命活动依然不清晰。单碳代谢可通过DNA甲基化调控植物各种生命活动,但REEs对植物单碳代谢的影响未见报道。本文以模式植物拟南芥和农业常用镧[La(Ⅲ)]分别为植物和REEs代表,采用高效液相色谱和实时荧光定量PCR等技术,探究了不同剂量La(Ⅲ)作用不同时间对繁殖期拟南芥根系单碳代谢和DNA甲基化水平的影响。结果表明:La(Ⅲ)作用0.5 d增加根系4种单碳代谢关键酶基因(MS1,MS3,MAT1和SAHH)表达量,未改变单碳代谢产物含量和DNA甲基化水平。随La(Ⅲ)作用时间延长(1.0~4.0 d),30μmol·L^(-1)La(Ⅲ)上调了所有单碳代谢关键酶基因表达量,继而增加蛋氨酸和腺苷含量,减小S-腺苷甲硫氨酸、S-腺苷高半胱氨酸、甘氨酸和甜菜碱含量,促使6种DNA甲基转移酶基因表达量上调(DRM1除外),最终增加DNA甲基化水平。80μmol·L-1La(Ⅲ)下调单碳代谢关键酶基因表达量(1.0 d时仅4种基因,随后所有基因),从而减小蛋氨酸和腺苷含量,增加S-腺苷甲硫氨酸、S-腺苷高半胱氨酸、甘氨酸和甜菜碱含量,诱导所有DNA甲基转移酶基因表达量下调(1.0 d时均不变),最终降低DNA甲基化水平。结果可为揭示REEs作用于植物的机制及REEs农用实践提供参考。

低剂量镧对植物暗形态建成的影响

稀土元素(Rare earth elements,REEs)因其低剂量能够促进植物种子萌发、营养生长、生殖生长和产量形成而被应用于农业。暗形态建成作为种子萌发后所经历的第一个发育阶段,是保证植物出土后正常生长的必要条件。然而,REEs对暗形态建成的影响鲜见报道。本文分别以农业常用镧(La(Ⅲ))和模式植物拟南芥为REEs和植物代表,通过测定La(Ⅲ)处理后野生型拟南芥(Col-0)暗形态指标,得出低剂量(15,30,45和55μmol·L-1)La(Ⅲ)影响Col-0暗形态建成,表现为下胚轴长度缩短、顶端弯钩弯曲角度增大和原叶绿素酸酯含量降低,且La(Ⅲ)浓度越高,下胚轴长度越短,顶端弯钩弯曲角度增幅先增后降,原叶绿素酸酯含量降幅增加至平稳。实时荧光定量PCR和蛋白印记结果显示,15,30,45和55μmol·L^(-1)La(Ⅲ)处理增加暗下生长Col-0光敏色素相互作用因子3(PIF3)转录水平和蛋白水平。La(Ⅲ)作用于PIF3突变体后,其下胚轴长度、原叶绿素酸酯含量均高于同浓度La(Ⅲ)处理的Col-0相应含量,顶端弯钩弯曲角度低于同浓度La(Ⅲ)处理的Col-0的弯曲角度。通过对比Col-0和PIF3突变体的暗形态指标,得出La(Ⅲ)通过增强拟南芥PIF3转录水平和PIF3蛋白水平而影响其暗形态建成。