Relationship between Hexokinase and the Aquaporin PIP1 in the Regulation of Photosynthesis and Plant Growth

己糖激酶和水通道蛋白PIP1在光合作用和植物生長調(diào)控中的關(guān)系

水通道蛋白NtAQP1是一種已知的CO2和水的質(zhì)膜通道，其表達(dá)增加可以增加光合作用和蒸騰作用的速率。而擬南芥己糖激酶1(AtHXK1)是一種調(diào)節(jié)糖傳感的雙功能酶，其表達(dá)增加會降低光合基因的表達(dá)和蒸騰速率并抑制生長。本研究表明AtHXK1 還降低了根和莖的水力傳導(dǎo)率以及葉肉的CO2傳導(dǎo)率 (gm)。由于NtAQP1和AtHXK1對植物發(fā)育和生理產(chǎn)生相反的影響，我們利用同時表達(dá)這兩個基因的轉(zhuǎn)基因番茄植株，在全植株水平上研究了它們之間的關(guān)系。NtAQP1顯著促進(jìn)了表達(dá)AtHXK1植物的生長并提高了蒸騰速率。相互嫁接實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩種基因在枝條中同時表達(dá)時，就會發(fā)生這種互補(bǔ)。然而NtAQP1對雙轉(zhuǎn)基因植物的水力傳導(dǎo)率只有邊際影響，表明NtAQP1的互補(bǔ)作用與枝條水分運(yùn)輸無關(guān)。相反，NtAQP1顯著增加了葉肉的CO2傳導(dǎo)性并提高了光合作用的速率，表明NtAQP1通過增強(qiáng)CO2的葉肉傳導(dǎo)性促進(jìn)了雙轉(zhuǎn)基因植物的生長。

圖1. AtHXK1 降低根部和莖的水力傳導(dǎo)率

圖2. NtAQP1補(bǔ)充AtHXK1介導(dǎo)的生長抑制

對表達(dá)AtHXK1水平升高番茄品系的根際傳導(dǎo)率和莖水力傳導(dǎo)率進(jìn)行了測定（圖1）。 HK37、HK4和HK38品系的HXK活性分別比WT 植物高約2、5和6倍。具有AtHXK1高表達(dá)的HK4和HK38品系的根際水力傳導(dǎo)率（Lr）和木質(zhì)部莖水力傳導(dǎo)率（Ksx）顯著低于WT植物（圖1A和1B）。以上表明AtHXK1降低了根部水力傳導(dǎo)率和莖水力傳導(dǎo)率。

同時表達(dá)AtHXK1和NtAQP1的雙轉(zhuǎn)基因AQP1 x HK4植株的株高、葉面積均高于親本HK4（圖2），這表明NtAQP1補(bǔ)充了AtHXK1的生長抑制作用。為了驗(yàn)證這種互補(bǔ)效應(yīng)不是AtHXK1表達(dá)降低引起的，檢查了HXK的活性以及糖感應(yīng)效應(yīng)。雙轉(zhuǎn)基因植株中的HXK活性與HK4親本相似，比對照WT和AQP1（純合子）親本植株的活性高約7倍（圖2D）。本文還研究了HXK對成熟的糖傳感光合作用標(biāo)記基因CAB1表達(dá)的影響，已知該基因 由AtHXK1抑制。AQP1 x HK4中的CAB1表達(dá)被抑制，水平與HK4植株相似（圖2E），表明AtHXK1介導(dǎo)了雙轉(zhuǎn)基因植株的糖感應(yīng)效應(yīng)。這些結(jié)果表明NtAQP1的生長互補(bǔ)效應(yīng)并非源于HXK活性的抑制，而可能是由于NtAQP1的上位生理效應(yīng)。

圖3. 相互嫁接和整株植物相對每日蒸騰作用

為了研究AtHXK1引起的蒸騰作用和生長減少以及NtAQP1對其的補(bǔ)充作用是否對根或莖產(chǎn)生明顯的影響，本試驗(yàn)將WT、AQP1和HK4莖接到WT、AQP1和HK4的根上，共九種的組合型植株。研究發(fā)現(xiàn)AtHXK1僅在莖中表達(dá)時才抑制生長，與根基因型無關(guān)（圖 5A）。同理，嫁接植物的累積全株相對日蒸騰量表明，AtHXK1僅在莖中表達(dá)時，蒸騰量降低了約 50%，與根基因型無關(guān)（圖5B）。這些結(jié)果表明NtAQP1和AtHXK1在根或枝條中的單獨(dú)表達(dá)不足以實(shí)現(xiàn)NtAQP1對AtHXK1表型的互補(bǔ)，并且只有兩個基因在枝條中同時表達(dá)時，NtAQP1對AtHXK1效應(yīng)的互補(bǔ)才會發(fā)生。