生物芯片點樣儀助力植物同土壤中鹽度相關性研究
Arrayjet生物芯片點樣儀助力植物同土壤中鹽度相關性研究
土壤鹽堿化是一個日益嚴重的環境問題，過量的鹽分損害土壤的養分吸收、破壞滲透平衡，對植物生長、發育和開花產生負面影響，導致作物產量下降。 為應對自身或外部刺激，植物會通過細胞壁修飾（包括木質素和木栓素沉積的增加，以及在較老的組織中形成次級細胞壁）和改變根的生長方向，以減少鹽分的攝入。在此過程中還涉及到纖維素合成、纖維素微纖維定位、半乳聚糖積累以及合成阿拉伯糖等生物過程。已有研究表明，延伸蛋白（extensin）糖基化是這個過程中的關鍵因素，其中涉及到4種糖基化蛋白（HPAT1-3、RRA1-3、XEG113和ExAD），但具體的參與過程仍缺乏了解。
荷蘭瓦赫寧根大學植物生理學實驗室的研究團隊于2024年在《Plant》雜志發表了文章《Arabinosylation of cell wall extensin is required for the directional response to salinity in roots》。在該研究中，作者通過研究野生型和ExAD基因突變型擬南芥樣本的果膠和半纖維素提取物，證實ExAD 基因是調節根定向生長所必需的，揭示了 ExAD 介導的阿拉伯糖基化在根對鹽脅迫的反應中起著至關重要的作用。
實驗方法：
- 1.鹽誘導傾斜測定法（salt-induced tilting assay ，SITA）：將擬南芥培育發芽，并在響應的時間點移植到不同類型的培養基（無NaCl 、100mM NaCl 、100mM KCl 和 200mM 山梨糖醇等）中，并將植株逆時針旋轉90度，然后持續動態拍照，觀察植物根部的生長彎曲過程（圖1）。根尖角度（root tip direction，RTD）表示平行于根尖生長方向的矢量與垂直重力矢量之間的角度，表示根尖彎曲的量。
圖1 SITA的實驗設置：將發芽的幼苗轉移到含有不同處理的1/2 MS瓊脂平板中，同時將平板逆時針旋轉90度；在延時系統中追蹤根系動態生長響應，成像頻率為每塊板每 20 分鐘 1 張圖像
- 2.微陣列聚合物分析（Comprehensive Microarray Polymer Profiling，CoMPP）：將樣本擬南芥幼苗快速凍干。繼而純化，通過Arrayjet公司的Marathon（新型號Mecury）生物芯片點樣儀點印在硝酸纖維素膜上，隨后同特異性抗體雜交，生物芯片掃描儀掃描并進行結果分析。
實驗結果：
- 1.野生型擬南芥在100mM NaCl 培養基中表現出明顯的生長彎曲。與對照組、100mM KCl 和 200nM 山梨糖醇組相比，在100mM NaCl 培養基中生長的擬南芥的根尖RTD的變化量顯著降低，說明高濃度NaCl 的確可以影響植物根尖生長方向（圖2）。
圖2 在不同處理（對照組、100 mMNaCl、100mM KCl 和 200mM 山梨糖醇）下，在 4 日齡野生型幼苗根尖不同時間點延時拍照，y軸表示每 20 分鐘根尖的RTD 值
- 2.相對于野生型，ExAD突變型擬南芥在NaCl溶液中根尖RTD值的變化量顯著降低，說明ExAD突變導致根尖回避高鹽環境的能力減弱。
- 3.相較于野生型，ExAD突變型樣本在凍干后的提取物中NaCl含量顯著升高，說明ExAD基因突變導致植株攝取了過量的NaCl。
- 4.CoMPP實驗結果顯示，野生型植株的JIM11雜交信號顯著高于ExAD突變型，而JIM11是延伸蛋白糖基化的重要指征，說明ExAD突變型植株的延伸蛋白缺乏糖基化，引起根尖遇到高鹽溶液后彎曲能力降低。
實驗結論：
ExAD引起延伸蛋白糖基化，參與鹽脅迫條件下的根細胞壁修飾，該過程是調節根尖定向生長所必需的。綜合以上結果說明 ExAD 介導的阿拉伯糖基化在根對鹽脅迫的反應中起著至關重要的作用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae135
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