逆境和光照下AOX基因表达与交替路径功能的研究

论文摘要

植物线粒体电子传递机构中具有一条抗氰呼吸途径或称为交替途径,这条呼吸途径的存在是高等植物呼吸系统区别于动物呼吸系统的重要特征之一。到目前为止,交替途径的功能和信号调控还没有明确的结论,但它在植物中的广泛存在始终让其成为植物生理学研究的热点和前沿课题。本研究通过对水稻交替氧化酶基因家族不同成员的特异性探针的扩增,调查了在环境胁迫和化学试剂处理下交替氧化酶基因家族的表达模式。通过实验发现,呼吸电子传递链的抑制剂可以强烈诱导AOX1基因家族所有成员的表达;AOX1a和AOX1b基因在干旱和病原菌侵染下被强烈诱导,并受到过氧化氢和水杨酸的上游调控,但脱落酸对交替氧化酶基因家族所有成员均没有明显的诱导作用。通过这些实验揭示了单子叶植物交替氧化酶基因家族成员的差异性表达特性和其信号调节规律。本研究对光合组织在光照发育下交替氧化酶的运行规律和信号调节机制进行了初步的探索。通过实验发现,在植物初期转绿过程中,光照可以直接刺激交替氧化酶的基因表达和交替途径的运行,而提升的交替途径参与了叶绿体的发育和增殖。随着光合组织在光照下的进一步生长,交替氧化酶基因的表达丰度和交替途径的运行水平也进一步上升,而交替途径在光合组织中的角色也由促进叶绿体的发育转变为优化光合作用。这方面的研究对于进一步了解植物呼吸的生理学意义以及植物体内细胞器之间代谢途径的联系有着较为重要的参考价值。对逆境胁迫下交替途径运行的信号调节机制和生理学功能的研究表明,在低温胁迫下,交替途径不仅有助于光合组织叶绿体结构的稳定和维持,而且也有助于降低叶绿体在低温下活性氧的积累。在低温胁迫下,增加的交替途径的容量和编码交替氧化酶基因的表达受到过氧化氢主导的信号传递路径的调控,交替氧化酶在植物抗冻以及在过氧化氢诱导的植物获得性抗性中均扮演着重要的角色。在水分胁迫下,交替途径的容量和编码交替氧化酶基因的表达丰度被显著提升。活性氧参与了水分胁迫下交替途径的诱导,而增加的交替途径可以限制干旱下植物活性氧(包括过氧化氢和超氧阴离子)的增加。

论文目录

• 缩略词表
• 中文摘要
• Abstract
• 第一部分 前言综述
• 1 交替氧化酶在呼吸电子传递链中的位置
• 2 交替氧化酶蛋白及其结构
• 3 交替氧化酶的编码基因
• 4 交替氧化酶和交替呼吸途径的研究方法
• 4.1 转基因技术在交替氧化酶研究中的应用
• 4.2 交替呼吸途径容量和活性的研究
• 5 抗氰交替呼吸途径对环境胁迫的响应
• 6 抗氰交替呼吸途径运行的调控机制
• 6.1 后转录水平调控
• 6.2 转录水平调控
• 7 抗氰呼吸的生理学功能
• 8 课题的提出
• 第二部分 交替氧化酶基因家族表达差异性的研究
• 1 材料与方法
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.2.1 植物材料培养方法与处理
• 1.2.2 探针的制备
• 1.2.3 扩增片段的克隆与测序
• 1.2.4 组织呼吸参数的测定
• 1.2.5 总 RNA的提取与Northern杂交
• 1.2.6 相对含水量的测量
• 2 实验结果和分析
• 2.1 水稻交替氧化酶基因家族特异性片段的测序结果
• 2.2 不同处理对交替呼吸途径容量的影响
• 2.3 水稻交替氧化酶基因家族成员在不同处理下的表达差异性
• 3 讨论
• 第三部分 抗氰呼吸在植物转绿中的运行和角色
• 1 材料与方法
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.2.1 植物材料培养方法与处理
• 1.2.2 线粒体总蛋白提取
• 1.2.3 蛋白的SDS-聚丙烯酰铵凝胶电泳
• 1.2.4 叶片光合二氧化碳固定速率测定
• 1.2.5 叶绿素含量测定
• 1.2.6 组织呼吸参数的测定
• 1.2.7 总RNA的提取与Northern杂交
• 2 实验结果和分析
• 2.1 光照对黄化幼苗总呼吸、交替途径容量的影响
• 2.2 光照下黄化幼苗AOX1基因家族的表达
• 2.3 线粒体总蛋白在植物转绿过程中的变化
• 2.4 SHAM对交替呼吸途径的抑制
• 2.5 SHAM对光照下完全黄化的幼苗中叶绿素含量的影响
• 2.6 SHAM对转绿幼苗叶片的二氧化碳固定速率的影响
• 2.7 不同黄化水平的水稻幼苗在光照下交替呼吸途径的容量的变化
• 3 讨论
• 第四部分 光下发育中交替途径的角色和调控的多样性
• 1 材料与方法
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.2.1 植物材料培养方法与处理
• 1.2.2 叶片光合二氧化碳固定速率测定
• 1.2.3 叶绿素含量测定
• 1.2.4 组织呼吸参数的测定
• 1.2.5 总 RNA的提取与Northern杂交
• 2 实验结果与分析
• 2.1 不同光照培养条件下生长的幼苗叶片的交替呼吸途径对光照的响应
• 2.2 不同光照培养条件下生长的幼苗叶片的交替氧化酶基因对光照的响应
• 2.3 光照对不同光照条件下生长的幼苗叶片的二氧化碳固定速率和叶绿素的影响
• 2.4 SHAM对交替呼吸途径的抑制
• 2.5 SHAM对不同条件下生长的幼苗叶片的二氧化碳固定速率和叶绿素的影响
• 3 讨论
• 3.1 光照和发育中交替氧化酶基因表达的模式
• 3.2 交替氧化酶可能直接为光所调节
• 3.3 交替氧化酶在光合中的角色依赖于光合组织的发育阶段
• 第五部分 交替途径对逆境下叶绿体的保护
• 1 材料与方法
• 1.1 材料
• 1.2 方法
• 1.2.1 植物材料培养方法与处理
• 1.2.2 电子显微观察叶绿体的结构和过氧化氢沉积
• 1.2.3 植物组织过氧化氢含量的测量
• 1.2.4 细胞膜相对透性的测量
• 2 实验结果与分析
• 2.1 SHAM和低温处理对于幼苗叶片过氧化氢含量的影响
• 2.2 SHAM和低温处理对于幼苗叶片细胞膜相对透性的影响
• 2.3 SHAM和低温处理对于幼苗叶片叶绿体结构和过氧化氢的沉积的影响
• 3 讨论
• 第六部分 交替呼吸途径对植物抗冻性的贡献及其调控机制的研究
• 1 材料与方法
• 1.1 材料
• 1.1.1 供试材料
• 1.1.2 交替氧化酶基因探针
• 1.1.3 杂交带分析软件
• 1.2 方法
• 1.2.1 植物的培养和处理
• 1.2.2 呼吸速率的测定
• 1.2.3 电子渗漏的测量
• 1.2.4 总RNA的提取与Northern杂交
• 1.2.5 植物组织过氧化氢含量的测量
• 1.2.6 细胞膜相对透性的测量
• 2 实验结果和分析
• 2.1 过氧化氢的预处理诱导植物的抗冻性
• 2.2 低温和外源过氧化氢对于交替呼吸途径的影响
• 2.3 过氧化氢对于交替呼吸途径和交替氧化酶基因的诱导
• 2.4 提升的交替呼吸途径参与了植物的抗冻性
• 3 讨论
• 第七部分 交替呼吸途径在水分胁迫中的角色和调控
• 1 材料与方法
• 1.1 材料
• 1.1.1 供试材料
• 1.1.2 活性氧抑制剂
• 1.1.3 交替氧化酶基因探针
• 1.1.4 杂交带分析软件
• 1.2 方法
• 1.2.1 植物的培养和处理
• 1.2.2 呼吸速率的测定
• 1.2.3 超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量的测定
• 2 实验结果和分析
• 2.1 水分胁迫对于幼苗叶片交替呼吸途径的影响
• 2.2 交替呼吸途径参与了水分胁迫下植物的抗氧化
• 2.3 水分胁迫下活性氧清除剂对交替呼吸途径的影响
• 3 讨论
• 第八部分 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间已发表的研究成果