硫化氫對擬南芥應(yīng)答干旱脅迫的信號作用機制.pdf

1、硫化氫(H2S)已經(jīng)被證實是繼一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)之后的第三種氣體信號分子。在哺乳動物中，它參與了血管舒張、胰島素分泌、炎癥反應(yīng)、細胞周期以及傷害應(yīng)激反應(yīng)等多方面的重要生理過程，是一個分布廣泛、功能多樣的信號分子。高等植物中NO和CO已經(jīng)被證實是重要的信號分子，與動物中的功能有諸多類似之處，而H2S的研究草創(chuàng)伊始。早在1978年，就有報道在玉米、菜豆中檢測到內(nèi)源H2S的釋放。之后關(guān)于H2S的研究，僅僅止步于現(xiàn)象的觀察和簡單

2、生理生化指標(biāo)的測定，未從“氣體信號分子”這一全新的視角去發(fā)掘。直到最近，出現(xiàn)了一些關(guān)于植物H2S信號參與非生物脅迫抗性、抗氧化脅迫、根形態(tài)建成和種子萌發(fā)等方面的報道。
　　哺乳動物中內(nèi)源H2S產(chǎn)生的關(guān)鍵酶是以半胱氨酸為底物并依賴于pyridoxal-5'-phosphate(PLP)的cystathionineγ-lyase(CSE)和cystathionineβ-synthase(CBS)兩種酶。模式植物擬南芥(Arabidop

3、sis thaliana)中已經(jīng)克隆了一些與內(nèi)源H2S產(chǎn)生直接相關(guān)的基因:L型半胱氨酸脫巰基酶編碼基因(LCD)和D型半胱氨酸脫巰基酶編碼基因(DCD)，這兩個基因合稱CDes。之后也有一些功能類似或相關(guān)的酶被報道，但研究不深入。
　　本論文主要集中分析氣體信號分子H2S在擬南芥應(yīng)答干旱脅迫過程中的作用和機制。主要結(jié)果如下:
　　1.內(nèi)源H2S生成關(guān)鍵酶編碼基因CDes的表達具有明顯的發(fā)育時期特異性和組織特異性，其表達量隨著

4、苗齡逐漸增加，在莖和莖生葉中明顯高于根、蓮座葉和花器官;干旱脅迫條件下，CDes與干旱相關(guān)基因的表達模式相似，且生理濃度H2S外源處理可以進一步刺激干旱相關(guān)基因表達;干旱脅迫能顯著誘導(dǎo)植物體內(nèi)H2S的產(chǎn)生，復(fù)水后內(nèi)源H2S產(chǎn)率下降;生理濃度外源H2S處理的幼苗在干旱脅迫下表現(xiàn)出較高的成活率，且葉片的氣孔孔徑與對照組相比顯著減小。
　　2.H2S的缺失能夠顯著抑制干旱脅迫下擬南芥種子的萌發(fā);顯著增加擬南芥幼苗體內(nèi)的H2O2和MDA含

5、量。對野生型WT和突變體lcd干旱脅迫前后的生理指標(biāo)測定表明:干旱脅迫前，lcd的POD、CAT、SOD和APX的活性與WT相比沒有顯著差異;干旱脅迫后，lcd的抗氧化酶活性均升高，較脅迫前有極顯著差異;與WT相比酶活較高，且差異極顯著。
　　3.H2S關(guān)鍵酶編碼基因LCD的突變體lcd體內(nèi)，外向K+通道、陰離子通道和Ca2+通道的編碼基因表達量下調(diào)，內(nèi)向K+通道編碼基因的表達量上調(diào);生理濃度的H2S處理使aba3和abi1的氣孔

6、孔徑顯著減小，而ABA處理lcd未引起顯著的氣孔關(guān)閉;ABA受體編碼基因的表達量在lcd中上調(diào)，外源H2S處理后則表現(xiàn)為下調(diào);aba3和abi1中LCD表達量和H2S產(chǎn)率均降低，ABA合成限速酶編碼基因在lcd中的表達量與WT相比變化不明顯;生理濃度的外源H2S處理可激活保衛(wèi)細胞的陰離子通道。
　　4.檢測了PEG-8000模擬干旱條件下擬南芥幼苗干旱相關(guān)miRNAs的轉(zhuǎn)錄水平和H2S產(chǎn)率變化。結(jié)果顯示:miRNAs的轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生

7、顯著變化;內(nèi)源H2S產(chǎn)生速率顯著增加;外源H2S處理引起WT的干旱相關(guān)miRNAs的轉(zhuǎn)錄水平變化;同時，H2S和干旱脅迫處理還能引起的miRNAs靶基因轉(zhuǎn)錄水平的變化;上述結(jié)果均在lcd突變體中得到了驗證。
　　綜上所述，本文以擬南芥Col-0生態(tài)型、L-型半胱氨酸脫巰基酶編碼基因突變體lcd、ABA合成缺陷型突變體aba3和ABA反應(yīng)敏感型突變體abi1為實驗材料，利用半定量和熒光定量PCR、熒光顯微技術(shù)、T-DNA插入突變技術(shù)

8、、膜片鉗等技術(shù)，從表型、組織器官形態(tài)、生理、細胞及分子等多個層次，對氣體信號分子H2S在擬南芥應(yīng)答干旱脅迫過程中的作用和機制進行了研究。結(jié)果表明:H2S可以通過對離子通道和氣孔運動的調(diào)節(jié)、與ABA信號的相互作用、對體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的影響以及對干旱脅迫相關(guān)miRNAs的轉(zhuǎn)錄調(diào)控等途徑，影響擬南芥應(yīng)對干旱脅迫的能力。全文系統(tǒng)分析了植物體內(nèi)氣體信號分子H2S產(chǎn)生的酶學(xué)來源及其應(yīng)對脅迫的生理功能;證明了干旱脅迫中H2S的信號作用;明確了在干旱脅