多个独立的MGR5等位基因对拟南芥叶片镁的临床模式有贡献

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2025-03-24 DOI:10.1111/nph.70069

Emmanuel Tergemina, Shifa Ansari, David E. Salt, Angela M. Hancock

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摘要

镁（Mg）是生物体内必需的营养物质。在人类中，Mg作为300多种酶促反应的辅助因子和ATP的反离子(jahnen - dechenent &amp；Ketteler, 2012)。镁影响肌肉、神经、心脏和内分泌功能(jahnen - dechenent &；Ketteler, 2012;Fiorentini et al., 2021)。发达国家有相当一部分人面临缺镁的风险，部分原因是绿色革命的意外后果，绿色革命促进了氮(N)、磷(P)和钾(K)的组合施肥。因此，农民倾向于优先使用这些三组分肥料来提高作物产量和生长，导致土壤中Mg等次级元素的枯竭（Guo等人，2016）。然而，由于钾抑制了Mg的吸收，标准化的氮磷钾补充导致了作物中Mg的广泛减少。尽管植物是人类镁元素的主要来源，但镁在农业中受到的关注相对较少，因此被称为“被遗忘的元素”(Cakmak &amp；Yazİcİ,2010)。植物缺镁会限制其生长和生产力(Aitken et al., 1999；Guo et al., 2016)，主要是由于其在光合作用中的重要作用。这是因为Mg是Chl的核心元素，并作为参与光合CO2固定的酶的激活剂(Shaul, 2002；Hawkesford et al., 2012)。植物对镁缺乏的典型反应包括叶片组织中的糖积累和老叶的叶脉间褪绿，导致植物生长和产量受损(Hermans &amp；维尔布鲁根2005;Romheld, 2012)。因此，了解影响植物镁积累的因素对农业和人类营养具有重要意义。植物对镁的吸收取决于其在土壤中的丰度和有效性。土壤中镁的丰度高度依赖于土壤发育的母质和农业强度等人为因素。镁的有效性取决于各种土壤因素，包括土壤pH值、阳离子竞争、阳离子交换能力和环境因素，包括降水、温度和大气二氧化碳（CO2）水平(mesiki et al., 2007；Sun et al., 2013；Loladze, 2014)。值得注意的是，由于镁的水化半径大，它与土壤胶体的结合较弱，导致其易浸出(Maguire &amp；科恩,2002;Gransee,富尔,2013)。这种易感性在阳离子交换能力降低的酸性土壤中尤为明显(Aitken等人，1999；Grzebisz, 2011)。此外，高降水加剧了Mg的淋溶，导致高降雨量地理区域的Mg有效性低（mesiki et al., 2007）。考虑到气候变化正在引起降水、温度和大气CO2水平的变化，提高我们对这些环境因素与Mg有效性之间的机制关系的理解非常重要，这将对预测作物对全球变化的响应至关重要。镁稳态的分子途径的某些方面是已知的。镁转运蛋白在维持镁稳态中起着重要作用，在真核生物和原核生物中高度保守。在原核生物中，镁的动态平衡由CorA、CorB/C、MgtA/B和MgtE镁转运体维持（Franken et al., 2022）。虽然MgtA/B和MgtE在植物中似乎没有任何接近的同源物，但已经确定了CorA和CorB/C同源物。CorA在植物中的同源物在20多年前被发现，被称为镁转运体或线粒体RNA剪接2转运体(Schock等，2000；Li et al., 2001)。相比之下，最近在植物中发现了CorB/C同源物，并命名为MAGNESIUM RELEASE (MGR)(孟等，2022；Tang et al., 2022；Zhang等人，2022)。MGR蛋白家族共享一个功能未知的跨膜结构域21和胱硫氨酸-β-合成酶（CBS）结构域，这是人类CBS结构域二价阳离子转运介质（CNNMs）的特征，以前也被称为古老的保守结构域蛋白（De Baaij et al., 2012）。此外，镁/质子交换器1 （MHX1）是一种编码质子反转运蛋白的基因，可将镁、锌和铁转运到液泡中以换取质子，可能有助于植物体内镁的稳态（Shaul等，1999）。总的来说，对拟南芥的大量研究提供了控制植物镁稳态的几个位点的信息。尽管之前在了解植物自然种群的营养平衡方面取得了成功(Baxter et al., 2008, 2010；Arnold et al., 2016；Busoms等人，2018；Yang et al., 2018；Tergemina et al., 2022)，我们对Mg积累自然变异背后的遗传决定因素的了解仍然有限。在本研究中，我们研究了影响广泛分布的欧亚拟南芥种群叶片Mg含量的环境因素。然后，利用欧亚种群和佛得角群岛（CVI）当地种群的全基因组关联定位方法，我们表征了该性状的遗传结构。我们在全球范围内发现了多个与Mg积累相关的镁释放5 （MGR5）等位基因，证明了与叶片Mg积累相关的MGR5等位基因异质性。

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