论文摘要
过氧化氢（H2O2）作为活性氧家族（ROS）的主要成员之一,可在植物生长的多个过程中作为重要的信号分子。在拟南芥中存在3个过氧化氢酶基因（CAT1、 CAT2和CAT3）用于清除植物体内的H2O2,而CAT2作为拟南芥中清除H2O2最重要的酶,其作用不能被另外两个过氧化氢酶或其它酶所替代。因此在光呼吸条件下cat2突变体中过氧化氢酶的酶活下降并且H2O2的含量增加。由于cat2基因敲除突变体可以通过调控光呼吸的状态来控制cat2突变体中过量过氧化氢的信号,因此它可以作为一个极好的工具去研究细胞内过量的过氧化氢对植物生长发育产生的影响。作为一个促进植物生长的重要激素,生长素对于植物生长发育以及对环境的应答都是十分重要的。生长素和过氧化氢之间可能存在的相互作用关系吸引着众多研究者的目光,与此同时生长素可能受到活性氧家族包括过氧化氢等调控的一些报道也引起广大研究者的关注,然而过氧化氢是否能调控生长素则有待进一步的研究来证实。本论文通过生理,生化以及遗传方面的研究,第一次报道了在拟南芥cat2力突变体中,生长素的含量受到过量累积的过氧化氢的调控,并且生长素含量的变化直接导致了突变体中叶片偏下性生长表型的产生。所取得的主要结果如下：1、在长日照高光强（150μmol m-2S-1）条件下,cat2突变体植株表现出偏下性生长的叶片表型。在cat2突变体中同时也发现,其叶片中的过氧化氢含量比转基因回复株系或是野生型叶片中的过氧化氢含量要高近两倍,cat2突变体的叶片上卷表型很可能是由叶片中大量积累的过氧化氢所造成的。2、将DR5::GUS株系与cat2突变体进行杂交后,通过GUS染色来观察cat2突变体中生长素含量变化的情况。和野生型背景的DR5::GUS株系相比,生长于长日照高光强条件下的cat2-1DR5::GUS株系,通过GUS染色后发现其GUS含量明显降低。并且通过GC-MS的检测证实,cat2突变体叶片中内源生长素的含量较野生型有明显下降。cat2突变体的叶片上卷表型很可能是由于叶片中生长素含量下降所导致的。3、通过提高cat2突变体叶片中生长素的含量可以恢复突变体叶片上卷的表型。在长日照高光强下生长时,伴随着cat2突变体叶片中过氧化氢的增加和叶片上卷表型的出现,叶片中的生长素含量随之下降。而将cat2转移到30μmol m-2s-1的低光下继续生长时,由于减少了植物中光呼吸过程中所产生的过氧化氢,叶片中的生长素含量得以提升,叶片上卷表型也得以恢复,这一过程也表明过氧化氢在调节生长素含量上起到了关键作用。于此同时,利用外源生长素处理cat2突变体的叶片后,其向上卷曲的叶片恢复成向下卷曲。并且在cat2pCAT2::iaaM转基因株系中,由于内源生长素含量的升高,叶片上卷的表型在该转基因株系中也得到了恢复。4、为了进一步探究在cat2突变体中过氧化氢是如何调控生长素含量的,我们利用实时定量PCR技术检测了突变体中生长素合成相关基因的转录水平,发现这些基因的转录水平都受到了抑制。这些实验结果也表明了cat2突变体中生长素含量的下降主要是由于生长素合成相关基因的转录水平受到抑制所导致的。5、对cat2突变体外源施加还原型谷胱甘肽也能恢复其叶片上卷的表型并提高叶片中生长素的含量,却不影响突变体内过氧化氢的含量。这些结果说明cat2突变体中谷胱甘肽氧化还原状态的变化影响了由过氧化氢介导的生长素含量的改变。6、当cat2突变体在高光强的条件下生长时,包括TCP3, TCP4, TCP10和HASTY基因在内的多个叶卷调控基因的表达水平都受到了抑制。7、生长于高光强条件下的cat2突变体,其自损伤表性并不能通过外源施加还原型谷胱甘肽所恢复。而叶片上卷的表型却可以通过外源施加还原型谷胱甘肽所恢复,并且叶片上卷表型的恢复是由于突变体内谷胱甘肽的氧化还原状态和生长素含量发生了改变导致的。这些都证明了在cat2突变体中可能存在不同的下游信号通路去分别调控过由过氧化氢介导的叶片偏下性表型和叶片损伤表型。综上所述,实验结果表明H2O2作为细胞内ROS中的主要一员,在决定叶片形态的发育过程中起着重要作用。H2O2通过影响调节GSH的氧化还原状态来影响生长素合成相关基因的表达,从而改变调控生长素的含量。同时一些参与叶片卷曲调控的基因,如TCP3, TCP4, TCPIO和HASTY,他们的表达也受到了下调。最后我们也发现GSH氧化还原状态在影响H2O2介导的生长素含量变化只适用于叶片偏下性表型。