estricted O2 consumption in pea roots induced by hexanoic acid is linked to depletion of Krebs cycle substrates 己酸誘導的豌豆根中 O2 消耗受限與克雷布斯循環底物的耗竭有關

來源：Physiologia Plantarum. 2023;175:e14024.

 

1. 摘要核心內容

 

核心發現：

己酸（HxA）在淹水土壤中作為植物毒素，通過降低根系耗氧率抑制豌豆根系呼吸作用。這種抑制與代謝物泄漏相關（尤其有機酸和糖類），而非直接損傷線粒體功能。

機制：

酸性條件下（pH 5.0），未解離的HxA進入細胞，觸發檸檬酸、蘋果酸和非結構性碳水化合物（NSC）從根系滲出（圖3, 5），導致克雷布斯循環底物耗竭，從而限制線粒體呼吸。

pH依賴性：

HxA的毒性在pH 5.0（未解離態占43%）比pH 6.0（未解離態占14%）更顯著（圖1, 2）。

 

 

 

 

 

 

2. 研究目的

 

揭示HxA抑制植物根系呼吸的分子機制（是否通過直接損傷線粒體或間接耗竭代謝物）。

探究pH如何調控HxA的毒性效應。

驗證短鏈有機酸（如丁酸BtA）是否具有類似效應。

 

3. 研究思路

 

短期暴露實驗：

豌豆根在pH 5.0/6.0下暴露于20 mM HxA或BtA 1小時（圖1）。

多尺度生理檢測：

組織水平：耗氧率（Unisense O?微電極）、電解質泄漏（電導率）、代謝物滲出（有機酸、NSC）及胞內含量（圖1-5）。

線粒體水平：分離線粒體檢測膜電位（△Ψ，熒光探針）和耗氧率（Unisense O?微電極）（圖6）。

驗證實驗：

添加抗氧化劑DTE排除氧化應激主導機制（圖S7）。

對比BtA驗證短鏈有機酸的普適性（圖S4-S6）。

 

 

 

 

 

 

 

4. 測量數據及其意義

關鍵數據與來源

數據類型 來源圖表 研究意義

根系耗氧率 圖1 HxA濃度依賴性抑制呼吸（EC??=7.2 mM, pH 5.0），pH 6.0無顯著抑制。證明pH調控毒性。

電解質泄漏 圖2A HxA增加總電解質滲出（pH 5.0 > pH 6.0），提示質膜通透性改變。

K?/Ca2?/Mg2?泄漏 圖2B, 圖S3 K?滲出顯著增加（補償有機酸電荷失衡），但非呼吸抑制主因。

有機酸滲出與胞內含量 圖3, 4 pH 5.0下檸檬酸/蘋果酸滲出量↑（圖3），胞內含量↓（圖4），直接關聯呼吸抑制。

NSC滲出與胞內含量 圖5 pH 5.0下糖類滲出↑（圖5A），但胞內NSC未顯著下降（圖5B），非呼吸抑制主因。

線粒體功能 圖6 分離線粒體膜電位（△Ψ）和耗氧率僅輕微下降（圖6），排除HxA直接毒性。

BtA對比實驗 圖S4-S6 BtA與HxA效應一致，驗證短鏈有機酸的普適機制。

5. 核心結論

 

HxA抑制呼吸的機制：

間接耗竭底物：HxA（pH 5.0）觸發檸檬酸、蘋果酸滲出（圖3），耗竭克雷布斯循環中間體（圖7C），導致線粒體底物匱乏（非直接損傷）。

電荷補償：K?滲出（圖2B）平衡有機酸陰離子電荷損失，維持膜電位。

pH的核心作用：

未解離HxA（pH 5.0）更易跨膜進入細胞，解離后酸化胞質，激活有機酸外排（ALMT/SLAH通道）。

生理意義：

有機酸滲出可能是一種解毒策略（圖7A）：提升根際pH，減少HxA進入，但代價是呼吸抑制。

為淹水土壤中植物適應機制提供新見解（如水稻ROL屏障誘導）。

 

 

6. Unisense電極數據的深度解讀

測量方法

 

組織耗氧率（圖1）：

使用Unisense MicroResp系統，O?微電極（OP-MR）實時監測密閉小瓶中根系耗氧動態（溶液O?濃度275→235 μmol/L）。

線粒體耗氧率（圖6B）：

針式O?微電極（OP-MR）在攪拌反應體系中檢測分離線粒體呼吸速率（O?濃度265→211 μmol/L），精度達1秒/點。

 

研究意義

 

精準量化呼吸抑制：

揭示HxA對根系呼吸的劑量-效應關系（圖1A），明確pH 5.0下EC??=7.2 mM，為毒性閾值提供依據。

解析代謝層級：

組織水平：耗氧率下降60-70%（圖1A）→ 整體呼吸受損。

線粒體水平：耗氧率僅降10-20%（圖6B）→ 排除直接損傷，指向底物匱乏機制。

動態過程捕捉：

連續監測顯示呼吸抑制在1小時內快速發生（圖1），支持短期滲出機制而非長期屏障形成。

技術優勢：

高時空分辨率：微電極實現器官（根段）與細胞器（線粒體）尺度的耗氧動態監測。

環境真實性：接近生理O?濃度（~20 kPa），避免離體實驗的缺氧假象。

 

植物生理學價值

 

該數據首次將根系呼吸抑制與克雷布斯循環底物可用性直接關聯，為理解淹水土壤中植物代謝適應提供了新視角。Unisense微電極的高靈敏度是解析“代謝物滲出→呼吸抑制”因果鏈條的關鍵工具。

 

總結：本研究通過Unisense微電極的多尺度O?監測，結合代謝物分析，揭示了HxA抑制根系呼吸的間接機制——有機酸滲出導致克雷布斯循環底物耗竭。該工作為改良作物耐澇性（如調控有機酸轉運體）提供了理論依據。