胞外ATP介导玉米抗旱性的信号分子机制

论文摘要

作为传统生物有机体能量代谢通货的ATP分子近年来发现也与植物生长发育的调控和对生物非生物逆境的响应有关。本研究运用生理学、药理学和分子生物学等实验手段,以期确定改善玉米作物抗旱性的外源ATP浓度和时间阈值,阐明玉米响应水分胁迫中ATP信号与H2O2、NO信号之间的网络关系以及胞外ATP预处理对干旱胁迫下质膜水孔蛋白ZmPIP基因表达的影响,系统揭示胞外ATP介导植物抗旱性的信号分子机制。主要研究结果如下:1.用外源ATP预处理4h,显著提高了干旱胁迫下活性氧O2-·和H2O2的含量,酶促防御系统SOD、CAT和APX的活性,非酶促防御系统GSH和Vc的含量,可溶性蛋白和游离脯氨酸的含量,而使得膜脂过氧化产物丙二醛含量显著下降,其结果是根系水力学导度增加,叶片水分状况维持稳定,水分代谢活跃。这种特征具有明显的浓度效应,即低浓度促进,而高浓度抑制。此外ATP清除酶Apyrase能够解除外源ATP的作用,说明胞外ATP作为信号分子介导了玉米植物的抗旱性。2.用DPI预处理显著降低了eATP诱导的干旱胁迫下玉米叶片O2-·和H2O2的含量以及抗氧化防御酶SOD、CAT和APX的活性,说明来源于NADPH氧化酶的ROS是eATP介导玉米抗旱性的下游信号;而用Hb预处理显著增加了eATP诱导的干旱胁迫下玉米叶片O2-·和H2O2的含量,但降低了抗氧化防御酶的活性,说明NO也是eATP介导玉米抗旱性的下游信号。当阻断ROS的合成时,eATP不能诱导NO的生成,而清除NO不影响eATP诱导的ROS的形成。说明在eATP介导的玉米植物抗氧化进而抗旱信号通路中,ROS处于eATP的下游,NO处于ROS的下游。3.外源ATP预处理使干旱胁迫下ZmPIP1;2, ZmPIP2;1和ZmPIP2;5的表达都显著降低,相反,抑制ROS的生成或清除NO,均显著增加了干旱胁迫下ZmPIP1;2, ZmPIP2;1和ZmPIP2;5的表达。说明eATP也是通过其下游信号ROS和NO来发挥调节ZmPIP基因表达的。但与调节抗氧化防御不同的是,在调节ZmPIP基因表达上,存在着由eATP→ROS→ZmPIP和由eATP→NO→ZmPIP两条平行途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 胞外ATP 信号分子功能的发现过程
• 1.2 植物细胞中eATP 的出胞方式
• 1.3 eATP 在植物体中的生理学作用
• 1.3.1 调节植物细胞的存活力（Viability），参与抗病性
• 1.3.2 影响生长发育
• 1.3.3 eATP 在植物响应非生物逆境中的作用
• 1.3.4 在豆科植物结瘤过程中的作用
• 1.4 eATP 在植物体内行使信号分子作用的机制
• 2+信号'>1.4.1 通过 Ca²⁺信号
• 2O₂信号'>1.4.2 通过 H₂O₂信号
• 1.4.3 通过NO 信号
• 1.4.4 eATP 响应基因和蛋白
• 1.5 结语及展望
• 1.6 研究目的和意义
• 第二章 胞外ATP 改善玉米抗旱性的生理学机制
• 2.1 胞外ATP 改善玉米抗旱性的浓度效应
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验材料的培养
• 2.1.3 研究方法
• 2.1.3.1 处理选样
• 2.1.3.2 生理指标的测定方法
• 2.1.4 结果与分析
• 2.2 同一浓度外源ATP 改善玉米抗旱性的时间效应
• 2.2.1 ATP 预处理不同时间对干旱胁迫下玉米叶片SOD、CAT、APX 活性的影响
• 2^-·和H₂O₂含量的影响'>2.2.2 ATP 预处理不同时间对干旱胁迫下玉米叶片O₂^-·和H₂O₂含量的影响
• 2.3 讨论
• 第三章 胞外ATP 介导玉米抗旱性的信号转导机制
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 玉米的培养
• 2^-·和H₂O₂含量的生理学测定'>3.1.2 CAT、APX 和SOD 酶活性的测定，O₂^-·和H₂O₂含量的生理学测定
• 2O₂和NO 的荧光探针法测定'>3.1.3 H₂O₂和NO 的荧光探针法测定
• 3.2 结果与分析
• 2O₂和NO 信号互作对干旱胁迫下CAT、APX、SOD 活性的影响'>3.2.1 胞外ATP、H₂O₂和NO 信号互作对干旱胁迫下CAT、APX、SOD 活性的影响
• 2O₂和NO 信号互作对干旱胁迫下O₂^-·和H₂O₂含量的影响'>3.2.2 胞外 ATP、H₂O₂和NO 信号互作对干旱胁迫下O₂^-·和H₂O₂含量的影响
• 2O₂和NO 信号互作对干旱胁迫下NO 含量的影响'>3.2.3 胞外 ATP、H₂O₂和NO 信号互作对干旱胁迫下NO 含量的影响
• 3.3 讨论
• 第四章 外源ATP 预处理对干旱胁迫下玉米根系质膜水孔蛋白基因表达的影响
• 4.1 实验所需仪器与试剂
• 4.1.1 实验所需仪器
• 4.1.2 实验所需试剂
• 4.2 RNA 的提取、除基因组DNA、反转录以及定量PCR
• 4.2.1 总RNA 的提取
• 4.2.2 除基因组 DNA
• 4.2.3 RNA 反转录成cDNA
• 4.2.4 荧光定量 PCR
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 外源ATP 预处理对干旱胁迫下玉米根系水孔蛋白基因表达的影响
• 2O₂和NO 信号互作对干旱胁迫下质膜水孔蛋白基因表达的影响'>4.3.2 胞外 ATP、H₂O₂和NO 信号互作对干旱胁迫下质膜水孔蛋白基因表达的影响
• 4.4 讨论
• 第五章 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介