细胞膜H^(+)-ATP酶在植物矿质营养中的作用

细胞膜H^(+)-ATP酶是植物体内一类重要的质子泵,也是一种极其关键的转运蛋白,在植物各种生命活动中具有重要的功能。本文综述了细胞膜H^(+)-ATP酶的活性调控机制,及其在植物根系吸收与利用矿质营养中的生理作用。细胞膜H^(+)-ATP酶通过消耗ATP将细胞质中的H^(+)排出,为养分离子的跨膜转运,以及有机酸和生物硝化抑制剂等物质的分泌提供细胞膜电位和质子驱动力。在缺磷、缺铁和铝毒等营养逆境下,细胞膜H+-ATP酶在受诱导后通过分泌H^(+)使根际酸化,从而提高磷和铁的有效性,还通过促进有机酸分泌来活化土壤中的矿物态磷,并且可以降低铝离子的毒害。此外,细胞膜H^(+)-ATP酶还参与调节植物根系的生长以及植物与丛枝菌根真菌的共生。通过遗传途径调节细胞膜H^(+)-ATP酶及其上游调节因子,如蛋白激酶和磷酸酶等基因的表达,以及对细胞膜H^(+)-ATP酶的特定氨基酸位点进行突变,可以改良作物细胞膜H^(+)-ATP酶的活性。这是一种提高作物养分利用效率、增强作物抵抗营养逆境的有效策略。

中度干旱胁迫下内生真菌印度梨形孢对旱稻根系细胞膜H^(+)-ATPase的影响

【目的】研究中度干旱胁迫下,内生真菌印度梨形孢(Piriformospora indica)对旱稻根系细胞膜H^(+)-ATPase的影响,解析印度梨形孢提高旱稻耐旱性的分子生理机制。【方法】将无菌旱稻幼苗及带有GFP标签的印度梨形孢菌饼(P. indica-GFP)接种于备好的PNM培养基中,于26℃/22℃、14 h/10 h (光/暗)培养两周,采用激光共聚焦显微镜观察水稻根部定殖的印度梨形孢菌。采用盆栽试验方法,分别种植定殖与未定殖印度梨形孢的旱稻(Oraza sativa,中旱3)幼苗,保持土壤中度干旱胁迫,培养幼苗2周后,取根系样品,测定根系细胞膜H^(+)-ATPase及生长情况,生长素IAA含量,以及H^(+)-ATPase相关基因的表达。【结果】通过旱稻根系转录组分析,发现相比于未接种印度梨形孢的旱稻,接种印度梨形孢旱稻根系生长素相关基因表达显著上调。同时,接种印度梨形孢旱稻根系生长素含量、H^(+)分泌、细胞膜H^(+)-ATPase活性及根毛长度显著高于未接种印度梨形孢旱稻。中度干旱胁迫下,与未接种印度梨形孢旱稻相比,接种印度梨形孢旱稻根系细胞膜H^(+)-ATPase相关基因表达显著上调。此外,中度干旱胁迫下,接种印度梨形孢旱稻地上部干重、根系干重、总根长及根毛长度都显著高于未接种印度梨形孢旱稻。【结论】在中度干旱胁迫下,印度梨形孢通过提高旱稻根系生长素含量,调控根系细胞膜H^(+)-ATPase活性,进而促进根毛发育。

植物细胞膜H^+-ATPase对必需矿质养分的适应性

植物细胞膜H+-ATPase是初级转运蛋白,在各种离子和代谢产物的跨膜运输中起着重要的作用;介绍了植物细胞H+-ATPase的结构、生化特性、生理功能与调控机制;重点综述了细胞膜H+-ATPase的活性及其蛋白数量与基因表达对植物必需矿质养分的适应性。

植物细胞膜H^+-ATPase对环境因子和逆境胁迫的适应

植物细胞膜H+-ATPase是初级转运蛋白,它在养分离子跨膜运输、胞内pH调节、细胞伸长生长、气孔开闭,以及植物适应所处的环境与发育过程等生命活动中起着重要的作用。综述了植物细胞膜H+-ATPase在酶活性、基因表达水平以及蛋白水平等方面对不同环境因子及逆境胁迫的适应性;指出分离鉴定、信号传导H+-ATPase等将是进一步的研究方向。

铵态氮营养下水稻根系分泌氢离子与细胞膜电位及质子泵的关系

为了研究水稻在铵态氮营养下分泌氢离子的机理,采用不同浓度的铵态氮(0.1～1.0 mol/L)处理水稻幼苗根系,4 h后用1 mol/L NaOH滴定培养液,计算氢离子的分泌量;同时,将水稻根系用多聚糖PEG-DEXTRAN两相系统分离出细胞膜囊体,并测定细胞膜H+-ATPase的水解活性和质子泵活性。另外,利用毛细管微电极测定水稻根细胞在上述不同铵浓度下膜电位的变化,以阐明水稻根系吸收铵态氮后分泌氢离子与细胞膜电位及细胞膜质子泵之间的关系。结果表明,随着培养液中铵离子浓度的升高,根系分泌氢离子的量随之增加;分离细胞膜后,离体细胞膜囊体H+-ATPase的水解活性和质子泵活性也相应增强。原位测定细胞膜电位时,膜电位去极化程度亦随NH 4+浓度的升高而升高;氢离子分泌量与细胞膜电位、细胞膜H+-ATPase水解活性及质子泵活性之间均具有一定的相关性。说明根系在NH4+-N营养下分泌氢离子是由于细胞膜上H+-ATPase主动泵出氢离子造成的,这与根系吸收NH4+后引起细胞膜去极化,需要通过提高质子泵活性来维持膜电位有关。

油菜根系质膜H^＋ -ATPase活性对缺磷胁迫的反应

采用两相法分离水培油菜根系细胞膜,并测定了细胞膜H+-ATPase水解活性。结果表明,与供磷植物相比,活体条件下,缺磷处理植株根系大量分泌H+并被钒酸盐抑制,缺磷处理植株磷含量明显下降。细胞膜纯度达90%以上。离体条件下,缺磷和对照植株细胞膜H+-ATPase的最佳pH值均为6.0左右;缺磷油菜根系细胞质膜上H+-ATPase水解活性和Vm ax略有升高,Km和对钒酸盐的敏感性则降低。表明油菜根系细胞膜H+-ATPase水解活性升高是其适应缺磷的一种生理机制,通过提高H+-ATPase的活性很可能促进有机酸的分泌,从而活化根际土壤中被固定的磷。

质子泵在不同氮素形态调控茶树磷素吸收的功能研究

磷是植物生长发育的重要矿质营养元素之一,不同氮素形态均影响植物对磷素的吸收。植物细胞膜H^+-ATPase在矿质营养元素吸收过程中具有重要调控作用,因此不同氮素形态调控茶树磷素吸收可能与细胞膜H^+-ATPase相关。本研究采用二相分离法提取茶树根系质膜,并通过非损伤微测(NMT)、Western-blot等技术探究不同氮素形态对舒茶早根系磷素吸收和细胞膜H^+-ATPase特征参数的影响。结果表明,铵态氮提高茶树对磷素的吸收;其茶树根系细胞膜电位、H^+跨膜运输、H^+-ATPase活性和蛋白表达均高于硝态氮处理;且细胞膜H^+-ATPase专一抑制剂正钒酸钠(Na3VO4)显著减少不同氮素形态下茶树根系对磷素的吸收和富集。由此可见,茶树根系H^+-ATPase可能参与不同氮素形态调控磷素的吸收。