拟南芥MGT6在高镁条件下运输镁离子的作用机制研究

Magnesium is abundant in plant cells and and plays a critical role in many physiological processes．So far, the uptake and transport mechanism of magnesium as well as the response stress (magnesium lacking and magnesium poisoning) is less understood in plant. MGT6 is a plasma membrane magnesium transporter, mediating magnesium uptake of plant under magnesium limitation conditidons. Our previous works showed that MGT6 mutant and RNAi plants were sensitive to low magnesium, now we found that they also are sensitive to high magnesium. They shows more magnesium overaccumulated in aerial organs and reduced growth, smaller and yellower leaves under high magnesium conditions. MGT6 mainly expressed in xylem parenchyma cells and phloem of leaf, and also in xylem parenchyma cells of root under high magnesium conditions. Those datas indicates that MGT6 is involved in magnesium unloading from the xylem sap or magnesium loading into the phloem sap in leaves. On the basis of those works, this project will study the corrections of magnesium contents of MGT6 mutants and RNAi transgenic plants and magnesium transport activity of MGT6, discuss the molecular mechanism of magnesium transport, reveal the role of MGT6 on the transportation of magnesium in plant under high magnesium stress. Our work will have benefit to elucidate the complicated regulatory mechanism of plant response to high magnesium stress .

镁离子是植物生长发育必需的矿质元素，也是植物细胞中最丰富的二价阳离子。但有关植物吸收和运输镁离子的机理研究还很不深入，特别是有关植物响应低镁和高镁胁迫的分子机制研究更少。MGT6是植物中第一个被报道定位于细胞质膜，在低镁条件下介导植物根部吸收镁离子的蛋白。本项目申请者在完成MGT6在低镁条件下的作用研究后，近期研究发现MGT6的突变体和RNAi干扰植株还对高镁敏感。在高镁条件下其地上组织积累高含量镁离子，出现叶片变黄、地上部分变小和生长迟滞等表型。MGT6主要在叶木质部薄壁细胞和韧皮部表达。这些结果暗示高镁条件下MGT6可能在叶木质部镁离子卸载或韧皮部镁离子装载过程起重要作用。本课题将从植物细胞、组织器官等几个层次来研究高镁条件下MGT6突变体和RNAi干扰植株镁离子含量与MGT6运输镁离子活性之间的关联性，以及MGT6响应高镁胁迫的分子机理。旨在促进对植物响应高镁胁迫复杂调控机制的认识。

我们的前期研究发现MGT6突变后，在低镁处理下出现植株矮小、根部变短、叶片变黄、植株镁离子含量低于野生型的表型，一系列的分子遗传学研究表明MGT6在低镁下介导植株根部镁离子吸收来维持植物正常生长发育。本项目中我们发现在高镁胁迫下，MGT6突变后，植株根部无明显变化，但地上部分出现叶片变黄、变小的表型，且植株镁离子含量明显低于野生型。Reciprocal grafting实验表明MGT6通过地上部分的相关信号途径使植物免受高镁毒害，在高镁条件下，MGT6可能从细胞质膜定位改变为液泡膜定位，将植株中多余的镁离子储存到液泡使植物免受高镁毒害。研究还发现mgt6mgt7双突变体比mgt6 和mgt7单突变体对低镁和高镁更敏感，从低镁到高镁培养条件都出现植株明显矮小，叶片变黄，根部变短的表型，说明MGT6和MGT7可能互相协作来应对环境中镁离子浓度广范围波动下的植物细胞镁离子动态平衡。研究发现一定浓度的Ca2+能互补mgt6突变体的高镁表型，但不能互补mgt6突变体的低镁表型。发现高镁条件下mgt6突变体植株的叶肉细胞体积减小，排列更紧密，形态变得不规则。随着培养基中钙离子浓度的不断增加，mgt6突变体植株的叶肉细胞体积逐渐增大，形态慢慢变规则，细胞结构和形态恢复到野生型水平，这进一步说明mgt6高镁敏感表型能被一定浓度的钙离子互补。利用ICP-MS发现在高镁条件下，植物正常生长发育所需的Ca2+/Mg2+离子含量比为：地上部分Ca2+/Mg2+离子含量比为0.65-1.4，地下部分Ca2+/Mg2+离子含量比为0.53-1.2。RNA-seq分析显示高镁胁迫下，MGT6可能通过与激素信号的相关基因互作参与植物高镁胁迫信号网络。本项目基本完成了相关的研究目标，阐明MGT6在高镁条件下的功能，揭示MGT6通过多条信号途径维持植物正常生长发育，使植物免受高镁毒害。另外将拟南芥MGT6在水稻和油菜中的同源基因进行功能分析时，发现在高镁条件下MGT6在单子叶植物和双子叶植株中的功能具有保守性，该研究有望为作物遗传育种提供新资源。