钙信号对气孔调控作用机制的探讨

论文摘要

气孔作为植物个体与外界环境进行物质和能量交换的通道,在植物与环境相互调控过程中具有非常重要的作用。植物通过气孔蒸腾的水分可影响全球水循环,摄入与输出的二氧化碳可影响全球碳循环;气孔的形态、发育和开闭行为受到从细胞到全球尺度的信号调控。环境胁迫对植物的影响和植物对环境的调控,主要是通过细胞尺度上的各种信号通路来调节植物的生理生化反应,但其机理还不明确,故而对信号通路的研究可更好地理解植物与环境之间的相互作用。其中钙离子作为一个重要的第二信使,参与调控了植物对干旱环境的响应和乙烯等信号物质所引发的多条信号通路。但目前,对钙指纹信号编码和解码机制相关研究还不够系统,对此探讨有助于了解植物如何响应环境变化。为此,本研究选用拟南芥野生型与若干种相关信号通路的基因突变体（乙烯不敏感型突变体、细胞分裂素不敏感型突变体、ABA敏感或不敏感突变体、钙调素相关基因超表达或表达干涉突变体、磷酸饥饿反应突变体等）为材料进行如下四方面的研究:（1）测量这些基因突变体气孔指数;（2）选用气孔指数减少极显著的乙烯不敏感型突变体为材料测定其光合生理等指标,分析干旱胁迫下乙烯信号通路;（3）研究响应环境刺激时,细胞内钙指纹信号的发生机制;将生态学的种群动态理论引申到细胞微环境,构建具有时滞项的钙指纹信号模型,分析检验的相应数据;（4）钙指纹信号的识别机制及其对气孔开度的调控;我们假设在CaMs或包含CaM结构的钙蛋白内,钙离子结合引起的EF-hand结构域构象变化按一定速率依次进行,据此构建了EF-hand结构域解码钙指纹信号的模型。采用具有不同钙指纹参数的人工钙信号诱导拟南芥保卫细胞,比较分析由此引发的气孔关闭情况;并结合已发表实验数据的研究分析来检验修正此模型。通过以上研究,本文主要得到以下四点结果:（1）与野生型相比,上述几种拟南芥突变体气孔指数都显著减少,气孔指数可能受钙信号、脱落酸、乙烯、细胞分裂素、磷酸等信号通路调控。（2）乙烯信号通路中ein3-1和ein4基因突变,提高水分利用效率,原因或许是其对光系统Ⅱ活性、膜流动性、磷脂活性和钙信号通路具有调控作用。（3）刺激信号的强弱和胞内钙离子通道对刺激信号的敏感性可能影响胞内钙信号微环境容纳浓度（P）、时滞（τ）和内禀增长率（r）;τ、P和r可能分别影响周期、振幅和持续时间的数值。（4）研究钙指纹信号解码机制的结果初步表明钙解码信号与EF-hand结构域数目、变构和亲和力之间存在一定的关系:可诱导最长时间的稳态气孔关闭的钙峰数目,应该与钙信号解码蛋白（CaMs和包含CaM结构的蛋白）中EF-hand结构域数目相一致;只有当钙指纹信号的周期在一定范围内时,钙信号才可以诱导钙蛋白内的若干个EF-hand结构域依次发生变构,使蛋白活化并引发下游生理生化反应。综上所述,本研究主要通过对植物气孔的相关研究,试图将宏观生态环境与微观层面的细胞反应、分子信号和蛋白相联系,在交叉整合过程中取得一定的创新和突破。本课题有助于深化理解植物气孔对环境胁迫的感应及钙指纹信号的产生和识别机制。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述和绪论
• 1.1 植物气孔与宏观生态环境的关系
• 1.1.1 节水问题的研究迫在眉睫
• 1.1.2 气孔可受到环境调控
• 1.1.3 气孔调控也可影响生态环境
• 1.1.4 气孔调控相关研究进展
• 1.2 植物激素乙烯在干旱胁迫反应中的作用
• 1.3 钙信号对气孔调节具有重要作用
• 1.4 钙信号的产生及编码
• 1.4.1 钙信号的产生
• 1.4.2 多种钙通道和钙受体
• 1.4.3 钙信号具有指纹特征
• 1.4.4 特定指纹特征可引起植物气孔的最佳生理反应
• 1.5 钙信号的解码
• 1.5.1 不同钙指纹信号对钙受体蛋白具有特异性调控
• 1.5.2 植物中钙蛋白的分类
• 1.5.3 各类钙响应蛋白的共同结构特征
• 1.6 本课题研究目的
• 1.6.1 需要解决的科学问题及主要研究内容
• 1.6.2 拟解决的关键科学问题
• 1.6.3 主要技术路线
• 第2章 钙信号等信号通路对气孔指数的调控
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 植物材料与生长条件
• 2.1.2 气孔指数的测量方法
• 2.1.3 数据的统计分析方法
• 2.1.4 不同基因互相作用的影响潜力分析模型
• 2.2 结果
• 2.2.1 气孔的分布和气孔指数
• 2.2.2 影响潜力分析模型
• 2.3 讨论
• 2.3.1 这些基因突变没有影响气孔在叶片各部位的分布均匀度
• 2.3.2 这些基因突变影响了气孔指数
• 2.3.3 相关信号通路或许可调节气孔指数
• 第3章 EIN3-1和EIN4基因突变可调节水分利用效率
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 植物材料与生长条件
• 3.1.2 气孔密度和表皮条密度
• 3.1.3 光合生理指标的测定
• 3.1.4 诱导细胞内钙振荡和气孔开度的测定方法
• 3.1.5 干重的测量方法
• 3.1.6 数据的分析方法
• 3.1.7 数据的统计分析方法
• 3.2 结果
• 3.2.1 ein3-1和ein4基因突变影响植物的光合生理指标和生长特征
• 3.2.2 与野生型相比,乙烯不敏感突变体具有特异的钙信号参数
• 3.3 讨论
• 3.3.1 乙烯信号通路基因ein4和ein3-1可调控水分利用效率
• 3.3.2 乙烯信号通路基因ein4和ein3-1可调控保卫细胞的渗透调节作用
• 3.3.3 ein4基因突变可能可以影响气孔中的钙信号的编码和解码
• 3.3.4 失去功能的乙烯信号通路有利于植物抗旱
• 第4章 探讨钙信号的编码和解码与时滞的关系
• 4.1 方法
• 4.1.1 模型的基础
• 4.1.2 基本模型的描述
• 4.1.3 时滞模型的描述
• 4.1.4 方程的解法
• 4.1.5 获得有效生理参数的方法
• 4.1.6 数据来源
• 4.2 结果
• 4.3 讨论
• 4.3.1 有效生理动态参数可反映细胞对信号的敏感性
• 4.3.2 参数的生物学意义
• 4.3.3 与其他研究相比
• 第5章 钙信号解码与EF-HAND结构之间定量关系
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 假说与预测
• 5.1.2 植物材料与生长条件
• 5.1.3 诱导细胞内钙振荡和气孔开度测定的方法
• 5.1.4 CaMs和包含CaM结构钙蛋白活性的测量方法
• 5.1.5 数据分析方法
• 5.1.6 数据来源
• 5.2 结果
• 5.2.1 当钙峰数目为四时,可引起最佳的气孔关闭反应
• 5.2.2 一定周期范围内的钙振荡信号才能引起较好的气孔关闭
• 5.3 讨论
• 5.3.1 最佳生理现象对应的钙峰数目应与钙蛋白EF-hand结构域数目一致
• 5.3.2 一定周期内钙振荡信号才能有效活化包含CaM结构的蛋白
• 5.3.3 蛋白活化过程或许应符合多极反应动力学曲线
• 5.3.4 对未来研究开展相关工作的建议
• 第6章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.1.1 气孔指数或许受到多条信号通路调节
• 6.1.2 乙烯信号通路可能可通过调控钙信号来调节水分利用效率
• 6.1.3 钙信号的编码和产生机制
• 6.1.4 钙指纹信号解码与EF-hand结构域数目、变构速度和亲和力之间关系
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表待发表的学术论文
• 致谢