本文關鍵詞：硫化氫參與一氧化氮誘導的增強玉米根尖細胞水澇耐受性的研究

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【摘要】：水澇災害已經(jīng)成為威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的普遍自然災害之一,增強水澇敏感型農(nóng)作物的水澇低氧耐受性已成為提升農(nóng)作物產(chǎn)量的重要途徑之一。NO和H_2S作為重要的氣體信號分子,已經(jīng)有很多關于它們參與植物非生物和生物脅迫應答方面的報道,但有關參與應答水澇低氧脅迫方面的研究都處于起步階段,尤其是H_2S參與植物應答水澇低氧脅迫更是罕有報道。本研究以玉米幼苗為實驗材料開展研究工作,通過使用組織化學染色、熒光探針定量分析、酶活性檢測和Q-PCR等技術,研究了NO和H_2S參與提升玉米幼苗水澇低氧耐受性的途徑和策略,研究結果如下:1、0.2 mM SNP(sodium nitroprusside;NO供體)預處理可以顯著減輕在水澇低氧處理條件下根尖細胞的死亡;通過NO熒光探針DAF-FM DA活體觀測、組織化學染色和相關生理指標檢測發(fā)現(xiàn),低氧造成細胞內源NO的積累,外源NO的預處理會促進內源NO積累量的提升,NO的提升可以激活細胞內氧化防御系統(tǒng)以減輕根尖細胞因低氧而產(chǎn)生的過量活性氧ROS(Reactive oxygen species)對細胞造成的過氧化損傷,并同時促進細胞內Ca~(2+)的提升和乙醇發(fā)酵關鍵酶ADH(alcohol dehydrogenase)的酶活性,最終提升根尖的成活率,外源NO抑制劑carboxy-PTIO(c PTIO)的預處理得到與之相反的生理效應。2、0.1 mM H_2S預處理(NaHS作供體)可以顯著減輕低氧造成的根尖細胞死亡,H_2S熒光探針WSP-1分析發(fā)現(xiàn):與NO應答水澇低氧脅迫途徑類似,低氧促進細胞內源H_2S的積累,而外源H_2S的預處理促進內源H_2S積累的增加,增加的H_2S同樣可以激活細胞內氧化防御系統(tǒng)以減輕根尖細胞因低氧而產(chǎn)生的過量活性氧ROS對細胞造成的過氧化損傷;H_2S合成抑制劑HA(hydroxylamine)和清除劑HT(hypotaurine)的預處理產(chǎn)生與H_2S預處理相反的生理效應。3、0.2 mM NO(SNP作供體)預處理能夠增強低氧條件下H_2S合成代謝相關酶L/D-CDs(L/D-cysteine desulfhydrases)、O-acetyl-L-serine(thiol)lyase(OAS-TL)和β-Cyanoalanine(CAS)的活性,從而引起細胞內H_2S含量的增加;雖然H_2S預處理不能增加低氧條件下細胞內源NO的含量,但H_2S的抑制劑或清除劑的預處理可顯著降低NO誘導的水澇低氧耐受性,因此,H_2S可能作為NO的下游信號分子參與植物細胞應答水澇低氧脅迫。4、通過外源施加50 mM CaCl_2、5 mM LaCl_3(Ca~(2+)通道抑制劑)和0.3 mM EGTA(Ca~(2+)螯合劑)并利用熒光探針Fluo-8 AM分析細胞內源Ca~(2+)含量和檢測相關生理指標發(fā)現(xiàn):在低氧條件下H_2S刺激細胞內源Ca~(2+)含量增加,進而提升無氧發(fā)酵關鍵酶ADH和丙酮酸脫羧酶(PDC)的酶活性,同時抑制乙烯的產(chǎn)生,啟動靜止生長策略,從而提升水澇耐受性。5、0.2 mM SNP與0.1 mM NaHS分別預處理玉米幼苗,在低氧處理條件下,通過q RT-PCR檢測發(fā)現(xiàn):NO和H_2S不同程度的促進脅迫應答基因rp3(rust resistance protein)、HRFP(Hypoxia responsive family protein),轉錄表達調控基因DBP(DNA-bing protein)、TA(transcroption activator),能量代謝調控基因ADH(ethanol dehydrogenase)、PK(Pyruvate kinase),氧化還原調控基因GS(glutamate synthase)、CYP51(cytochrome P450 14α-sterol demethylase),氨基酸或蛋白質代謝調控基因IVD(Isovaleryl-Co A dehydrogenase)、SPI(serine protease inhibitor),胞質p H代謝調控基因ME(NADP-dependent malic enzyme),信號轉導調控基因CRT(calcium binding protein 1),離子轉運基因ORT(organic anion transporter)和低氧誘導蛋白調控基因HIP(hypoxia induced protein)的上調表達。因此,NO和H_2S可能通過調控上述基因的表達參與提高植物水澇低氧脅迫耐受性。綜上所述,在低氧條件下NO的積累刺激了下游信號分子H_2S含量的增加,繼而激活了細胞氧化防御系統(tǒng),降低了低氧損傷;同時提升了細胞內Ca~(2+)含量,增加了無氧代謝效率,抑制了乙烯的產(chǎn)生,啟動了靜止生長策略,從而在分子和生理水平提升了植物的水澇低氧耐受性。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S513;S422

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