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

煙草PIP1;3的過表達增強低氧脅迫下油菜根系通氣及氧代謝能力  

來源：Plant Physiology and Biochemistry  

植物生理學與生物化學  

 

摘要內容  

該研究通過過表達煙草的NtPIP1;3基因（一種推測參與氧氣運輸的質膜水通道蛋白）于油菜（甘藍型油菜），探究其在根低氧脅迫下的生理和代謝響應。結果顯示，轉基因植株在淹水脅迫下維持了更高的生物量、光合速率、根水導度、根氧濃度、葉片水勢、根系呼吸速率和ATP水平。代謝分析表明轉基因植株通過調控糖酵解、丙酮酸代謝和三羧酸循環（TCA cycle）增強有氧代謝?；虮磉_分析顯示，轉基因植株的缺氧信號通路基因（如RAP2.12、PCO1/2）表達模式與野生型不同，結合直接測量的根氧濃度數據，證實NtPIP1;3通過促進根系氧供應增強低氧耐受性。  

 

研究目的  

驗證NtPIP1;3是否通過促進細胞間氧氣運輸改善植物對根低氧脅迫（如水澇）的耐受性。  

 

研究思路  

構建過表達NtPIP1;3的轉基因油菜植株。  

 

對比野生型（WT）與轉基因株系（OE）在根低氧脅迫下的：  

 

根系氧氣濃度（直接測量）  

 

呼吸代謝（ATP、呼吸速率）  

 

生長與生理參數（生物量、光合、水分關系）  

 

代謝組學變化（糖酵解、TCA循環等）  

 

缺氧響應基因表達  

 

測量數據及來源  

根呼吸速率與ATP濃度（圖1a-f）  

 

 

轉基因植株在低氧脅迫下維持更高呼吸速率和ATP水平，表明能量代謝穩定。  

根氧濃度（圖2）  

 

 

使用丹麥Unisense微電極直接測量根細胞氧濃度，轉基因植株在10天和15天低氧脅迫下氧濃度顯著高于WT。  

生長與氣體交換（圖3a-f）  

 

 

轉基因植株生物量、光合速率（Pn）和蒸騰速率（E）在低氧下無顯著下降。  

水分關系（圖4a-d）  

 

 

轉基因植株葉片水勢（Ψleaf）和根水導度（Lpr）在低氧下保持較高水平。  

代謝組學（圖5-7）  

 

 

 

 

 

轉基因植株在低氧下增強糖酵解、丙酮酸代謝和TCA循環，而WT轉向氨基酸代謝。  

基因表達（圖8）  

 

 

轉基因植株的缺氧信號基因（RAP2.12、PCO1/2）表達模式與WT差異顯著，反映氧氣供應改善。  

 

數據研究意義  

根呼吸速率與ATP濃度（圖1）：證明轉基因植株在低氧下維持有氧代謝能力，避免能量危機。  

 

根氧濃度（圖2）：直接驗證NtPIP1;3促進根系氧運輸的核心假設。  

生長與氣體交換（圖3）：表明氧氣供應的改善對整體植物生理功能的保護作用。  

代謝組學（圖5-7）：揭示轉基因植株通過增強有氧代謝途徑適應低氧的分子機制。  

基因表達（圖8）：缺氧信號通路基因的差異表達進一步支持氧氣供應的改善。  

 

結論  

NtPIP1;3過表達通過促進根系氧氣運輸，提高根細胞氧濃度，維持有氧代謝（呼吸速率、ATP水平）。  

 

改善的氧供應穩定了根系水分吸收（Lpr）和葉片光合作用，最終增強植物對水澇脅迫的耐受性。  

 

研究首次在作物中證實特定水通道蛋白可能參與氧氣運輸，為培育耐澇作物提供新靶點。  

 

丹麥Unisense電極數據的意義  

使用Unisense微電極（OX-10，尖端直徑10μm）直接測量根細胞氧濃度的數據（圖2）是研究的關鍵證據：  

技術優勢：該電極可原位測量單根細胞水平的氧濃度，避免傳統氧電極的空間分辨率不足問題。  

核心發現：轉基因植株在低氧脅迫下根氧濃度顯著高于WT（如10天時OE為1.2 mg/L，WT僅0.6 mg/L），直接證明NtPIP1;3增強了根系氧攝取或運輸能力。  

機制驗證：該數據與呼吸速率、代謝組學結果相互印證，表明氧氣供應的改善是轉基因植株耐受低氧的物理基礎。  

研究創新性：首次在植物中通過單細胞水平氧測量技術，將水通道蛋白功能與氧氣運輸直接關聯，突破傳統氣體運輸研究依賴間接指標的局限。