Overexpression of Nicotiana tabacum PIP1;3 enhances root aeration and oxygen metabolism in canola (Brassica napus) plants exposed to root hypoxia  

烟草PIP1;3的过表达增强低氧胁迫下油菜根系通气及氧代谢能力  

来源：Plant Physiology and Biochemistry  

植物生理学与生物化学  

 

摘要内容  

该研究通过过表达烟草的NtPIP1;3基因（一种推测参与氧气运输的质膜水通道蛋白）于油菜（甘蓝型油菜），探究其在根低氧胁迫下的生理和代谢响应。结果显示，转基因植株在淹水胁迫下维持了更高的生物量、光合速率、根水导度、根氧浓度、叶片水势、根系呼吸速率和ATP水平。代谢分析表明转基因植株通过调控糖酵解、丙酮酸代谢和三羧酸循环（TCA cycle）增强有氧代谢。基因表达分析显示，转基因植株的缺氧信号通路基因（如RAP2.12、PCO1/2）表达模式与野生型不同，结合直接测量的根氧浓度数据，证实NtPIP1;3通过促进根系氧供应增强低氧耐受性。  

 

研究目的  

验证NtPIP1;3是否通过促进细胞间氧气运输改善植物对根低氧胁迫（如水涝）的耐受性。  

 

研究思路  

构建过表达NtPIP1;3的转基因油菜植株。  

 

对比野生型（WT）与转基因株系（OE）在根低氧胁迫下的：  

 

根系氧气浓度（直接测量）  

 

呼吸代谢（ATP、呼吸速率）  

 

生长与生理参数（生物量、光合、水分关系）  

 

代谢组学变化（糖酵解、TCA循环等）  

 

缺氧响应基因表达  

 

测量数据及来源  

根呼吸速率与ATP浓度（图1a-f）  

 

 

转基因植株在低氧胁迫下维持更高呼吸速率和ATP水平，表明能量代谢稳定。  

根氧浓度（图2）  

 

 

使用丹麦Unisense微电极直接测量根细胞氧浓度，转基因植株在10天和15天低氧胁迫下氧浓度显著高于WT。  

生长与气体交换（图3a-f）  

 

 

转基因植株生物量、光合速率（Pn）和蒸腾速率（E）在低氧下无显著下降。  

水分关系（图4a-d）  

 

 

转基因植株叶片水势（Ψleaf）和根水导度（Lpr）在低氧下保持较高水平。  

代谢组学（图5-7）  

 

 

 

 

 

转基因植株在低氧下增强糖酵解、丙酮酸代谢和TCA循环，而WT转向氨基酸代谢。  

基因表达（图8）  

 

 

转基因植株的缺氧信号基因（RAP2.12、PCO1/2）表达模式与WT差异显著，反映氧气供应改善。  

 

数据研究意义  

根呼吸速率与ATP浓度（图1）：证明转基因植株在低氧下维持有氧代谢能力，避免能量危机。  

 

根氧浓度（图2）：直接验证NtPIP1;3促进根系氧运输的核心假设。  

生长与气体交换（图3）：表明氧气供应的改善对整体植物生理功能的保护作用。  

代谢组学（图5-7）：揭示转基因植株通过增强有氧代谢途径适应低氧的分子机制。  

基因表达（图8）：缺氧信号通路基因的差异表达进一步支持氧气供应的改善。  

 

结论  

NtPIP1;3过表达通过促进根系氧气运输，提高根细胞氧浓度，维持有氧代谢（呼吸速率、ATP水平）。  

 

改善的氧供应稳定了根系水分吸收（Lpr）和叶片光合作用，最终增强植物对水涝胁迫的耐受性。  

 

研究首次在作物中证实特定水通道蛋白可能参与氧气运输，为培育耐涝作物提供新靶点。  

 

丹麦Unisense电极数据的意义  

使用Unisense微电极（OX-10，尖端直径10μm）直接测量根细胞氧浓度的数据（图2）是研究的关键证据：  

技术优势：该电极可原位测量单根细胞水平的氧浓度，避免传统氧电极的空间分辨率不足问题。  

核心发现：转基因植株在低氧胁迫下根氧浓度显著高于WT（如10天时OE为1.2 mg/L，WT仅0.6 mg/L），直接证明NtPIP1;3增强了根系氧摄取或运输能力。  

机制验证：该数据与呼吸速率、代谢组学结果相互印证，表明氧气供应的改善是转基因植株耐受低氧的物理基础。  

研究创新性：首次在植物中通过单细胞水平氧测量技术，将水通道蛋白功能与氧气运输直接关联，突破传统气体运输研究依赖间接指标的局限。