system: [SYSTEM]

user: 2. 植物应答缺镁胁迫机理的研究 2.1. 缺镁胁迫严重影响植物的生长和发育 植物中镁的含量为1.5~3.5 g/kg [ 10 ] ，土壤中有效镁浓度在125 µM~8.5 mM之间，能满足植物生长对镁的需求[ 4 ] 。阳离子交换能力低的酸性土壤和雨量大的热带地区容易导致镁的流失；长期施肥(N-P-K)导致土壤中镁的竞争性耗竭，这些都降低了植物根对镁的可利用度[ 11 ] [ 12 ] 。镁量不足时，植物生长就会受到抑制、植物老化程度加速、种子产量和品质下降[ 13 ] 。这些暗示土壤的物化特性对于植物根系利用镁的重要性，改良土壤品质来增加作物的镁含量可能是行之有效的策略之一。 植物镁缺乏(Magnesium deficiency)时，诸如碳代谢，叶绿素合成和碳固定等能力受阻，最终导致植株短根、小芽、矮化、叶片坏死等症状[ 14 ] 。转录组测序结果显示大量的调控基因首先在根部被调控[ 7 ] 。当植物重新加入镁离子后，24小时之内，叶内1/5和根内1/2差异表达的基因恢复到初始模式，说明根是最早应答镁浓度变化的器官。而叶片中缺镁应答基因在8小时后的表达差异逐渐变得明显[ 15 ] 。缺镁1天后，镁在芽中的浓度迅速下降[ 7 ] [ 14 ] ，说明芽和叶是应答镁浓度变化的第二器官。缺镁显著抑制蔗糖在韧皮部的转运，导致能源叶中碳化物的积累，重新加入镁能迅速提高韧皮部蔗糖的转运[ 14 ] [ 16 ] 。这些结果说明，镁是参与韧皮部转运蔗糖的重要阳离子。这个过程可能与镁有关，而与光照无关[ 14 ] ，可能是韧皮部Mg-ATP浓度的下降抑制能源叶蔗糖的转运[ 17 ] ，就像钾、锌不足时叶片中蔗糖的积累，但缺磷没有这些现象[ 10 ] 。蔗糖在韧皮部的转运是由H + /蔗糖协同转运催化，这种由筛管质膜上H + -ATP酶催化的转运需要质子梯度[ 17 ] 。Mg-ATP是生物系统最主要的ATP复合体[ 18 ] ，且对H + -ATP酶的功能是必需的[ 19 ] 。缺镁诱导甜菜(Beta vulgaris L.)叶中BvSUT1 (Sucrose transporter 1，位于维管系统伴侣细胞的一种韧皮部特异性质子蔗糖同向转运蛋白)的表达[ 20 ] 。同时，镁是碳水化合物代谢酶的催化剂或辅因子，这些酶的活性受到缺镁的抑制，导致叶中碳水化合物(大部分为淀粉)不能转化为蔗糖而富集，这些酶包括果糖-1，6-二磷酸酶(Fructose 1，6-bisphosphatase， FBPase)，谷氨酸合成酶，UDP-D-葡萄糖焦磷酸化酶、ADP-D-葡萄糖焦磷酸化酶、GDPD-葡萄糖焦磷酸化酶和UDP-D-葡糖醛酸焦磷酸化酶[ 14 ] 。过量的淀粉积累反馈抑制光合速率，并抑制CAB2基因(叶绿素a/b结合蛋白基因2，负责编码叶绿素a和b蛋白)，从而减少叶绿素的生物合成[ 14 ] 。此外，光合作用受损导致叶绿体无效电子和吸收能量的积累，促进ROS的产生，导致叶绿素的光氧化和叶绿体膜脂质损伤，高光照加重缺镁的症状印证了这一点[ 21 ] 。这是由于抑制叶绿体中激发能量从PSII(光合系统II)转移到PSI的缘故[ 22 ] 。活性氧的产生可能与原卟啉IX (Protoporphyrin IX)有关，一旦原卟啉IX在组织中高度积累，就能导致叶组织坏死[ 23 ] 。与此同步的是增强了植物的抗氧化酶活性[ 15 ] [ 24 ] ，拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)缺镁处理后抗氧化剂的量明显增加[ 15 ] 证实了这一点。最新的研究表明，水稻(Oryza sativa L.)在缺镁胁迫条件下，蒸腾速率的降低先于叶中糖的积累和叶萎黄[ 25 ] 。这些结果说明，植物应答缺镁胁迫是一个复杂的系统，其分子调控机理还不清楚，需要进一步的探究。 2.2. 镁离子转运体在植物细胞内镁离子平衡中的作用 随着拟南芥镁转运体(Magnesium transporters， MGTRs) [ 26 ] [ 27 ] 的发现，镁在植物细胞中的平衡机制得到初步阐述。AtMHX是一个Mg 2+ /H + 交换体，主要位于韧皮部[ 28 ] ，也是植物中第一个被克隆的MGTR [ 27 ] 。AtMHX顺式调节子[ 28 ] -[ 30 ] 和过表达的分析[ 31 ] [ 32 ] 显示AtMHX主要维持细胞内金属离子和质子的稳态，并参与光合作用。最近发现AtCNGC10位于质膜[ 33 ] ，参与镁的摄取和远距离运输，也可能涉及钙和钾的运输[ 34 ] 。 已知的MGTRs大多是CorA类转运体，CorA类MGTRs的共性是在第一跨膜结构域的尾端部有一个保守的甘氨酸-蛋氨酸-天冬酰胺(Gly-Met-Asp， GMN)三肽基序[ 2 ] 。拟南芥中10个CorA类转运体分为镁高亲和转运体，低亲和转运体和双功能转运体，它们被认为是植物重要的镁转运系统，参与细胞对镁的摄取、分布和体内平衡，定位在质膜、内质网、液泡、线粒体和叶绿体等亚器官[ 2 ] 。然而，目前只有AtMGT6 (Mao et al.， 2014)、AtMGT7 [ 35 ] 的基因沉默植株，和AtMGT1 [ 36 ] 的过表达植株在缺镁条件下有突变表型；双突变(AtMRS2-1/10)和三突变(AtMRS2-1/5/10)可通过降低钙离子浓度来恢复缺镁条件下植物的生长发育问题[ 37 ] ，但确切机制并不清楚。在低镁条件下，AtMGT1和AtMGT7在根部高表达，且AtMGT7的基因敲除植株对缺镁敏感，说明这些基因可能参与镁的摄取，但AtMGT7定位于内质网[ 35 ] ，说明其可能调控内质网Mg 2+ 的平衡。AtMGT1定位于质膜[ 26 ] ，表达于根毛伸长区的维管组织和成熟叶的表皮毛[ 35 ] ，过表达拟南芥AtMGT1和水稻OsMGT1显著提高转基因植株的铝毒害耐性[ 36 ] [ 38 ] ，即胞质溶胶中镁含量的升高可以缓解铝毒害。这些说明MGT1应答铝毒害，而不是缺镁胁迫。AtMGT6是质膜MGTR，参与根部对镁的摄取，缺镁诱导其高表达[ 39 ] 。AtMGT2和AtMGT3定位在叶肉细胞的液泡膜中，与AtMHX类似[ 27 ] ，参与细胞内镁离子的平衡[ 35 ] [ 40 ] 。此外，拟南芥种子中镁含量与一些AtMGTs [ 41 ] 和AtMHX [ 42 ] 基因的QTL (quantitative trait loci)共定位可能暗示，MGTRs在不同组织中起着重要的镁转运功能。然而，这些MGTRs的表达水平在植物应答缺镁的芯片中没有显著的变化，其它的转运体基因却被缺镁上调表达[ 7 ] [ 15 ] ，说明还存在其它的MGTRs应答植物缺镁胁迫。 另外，AtMGT5定位于线粒体[ 43 ] ，与AtMGT9 [ 44 ] 类似，影响植物的育性。AtMGT10定位于叶绿体被膜系统，在基座叶和茎生叶的维管组织中表达[ 35 ] ，其功能可能是转运镁离子到叶绿体[ 45 ] 。另一方面，水稻中II类HKT (high affinity K + transporter)的两个成员(OsHKT2;4和TaHKT2;1)除转运钾外，还转运镁和钙，但受钾浓度的影响[ 46 ] ，这也暗示一些其它离子转运体在植物应答缺镁过程中可能充当重要的角色，只是这些MGTRs的调控信息还非常少，只发现脱落酸(ABA)和生长素参与AtMHX第一个内含子和顺式调节子的调控[ 28 ] -[ 30 ] 。 2.3. 植物应答缺镁胁迫的信号传递 缺镁阻碍糖从叶到根的转运，促进叶中淀粉的积累，反馈抑制光合作用，增加细胞的ROS，最终抑制植物的生长[ 17 ] 。最近的研究说明，植物中存在应答缺镁信号的调控途径。例如乙烯生物合成、ABA和生物钟相关基因受低镁诱导表达[ 7 ] [ 24 ] 。然而，应答缺镁信号传递的研究还较少。Hermans等[ 7 ] 报道，植物缺镁处理后ABA的含量变化不明显，尽管部分ABA相关基因上调表达。我们的研究发现镁毒害(Magnesium toxicity)处理植株的根和叶中ABA含量显著升高[ 9 ] 。Hermans等[ 15 ] 还发现，乙烯在应答缺镁过程中发挥了关键作用，缺镁处理后乙烯生物合成酶基因(例如At5g43450、At1g06620和At2g25450)的表达水平明显上升，且缺镁处理植物的乙烯含量是对照植物的2倍。这些结果说明，植物应答缺镁胁迫存在一些独特的信号通路，并且与这些植物激素有关。Niu等[ 24 ] 发现，根器官内ROS、抗氧化酶和Ca 2+ 受缺镁胁迫的诱导，最终影响根毛的发育。然而，这些因子的具体作用模式还了解的较少。