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基于Pyrabactin的ABA功能类似物设计、合成及其生物活性

周繁  
【摘要】:环境逆境是制约作物高产的重要因素,通过激素调控手段提高植物自身抗逆性是有潜力的抗逆途径。脱落酸(ABA)在植物生长和抵御各种环境胁迫的生理过程中具有关键作用。但由于ABA生产成本高和结构不稳定的因素制约了其在农业生产中的应用。在近期ABA受体的研究中报道了Pyrabactin这个新化合物,它在拟南芥中具有和ABA相同的抑制种子萌发的功能和受体。因为Pyrabactin相对于ABA在结构和成本上的优势,本研究把Pyrabactin作为ABA类似物改造的先导化合物。基于Pyrabactin的结构一共设计合成了19个化合物,与ABA在抑制种子萌发,气孔关闭和对小麦诱导抗逆等方面进行了生物活性的比较。我们的研究为开发一类新结构的诱导抗逆调节奠定了基础。关键结果如下: 1.本研究首先合成了Pyrabactin并进行了其对拟南芥,小麦和绿豆等作物的抑制种子萌发活性实验。之后借鉴Pyrabactin与冠菌素的化学结构,采用亚活性结构拼接的设计思路,用1-氨基环丙酸取代Pyrabactin中的2-氨甲基吡啶,把磺酰基改为甲酰基,并变换不同的苯环取代基,设计合成了19个具有新型分子结构的目标化合物—取代苯甲酰氨基环丙酸,通过核磁,高分辨质谱和红外光谱确证了结构。对这19个新化合物进行了拟南芥的种子萌发活性实验,并以其中活性较高的B2和活性很低的B12与ABA受体Py12蛋白做了分子对接的动力学模拟计算,计算结果与实验结果一致。通过小麦的种子萌发实验,蚕豆叶片的气孔关闭实验与ABA进行功能比较,筛选出抑制小麦萌发活性很好的B2,B5,B9,B15几个化合物做进一步的抗逆活性试验。 2.以济麦22为材料进行小麦幼苗的水培实验,设置5个盐浓度(NaCl),最后通过对小麦幼苗的表型观察、生物量、根系生长等指标的测定筛选出胁迫适中的盐浓度-150mmM,然后以此浓度作为胁迫浓度进行化合物的浓度筛选,设置了4个浓度梯度,通过表型测定得出不论是ABA还是新化合物B15都是0.01μM为最佳浓度,再以该150mM盐浓度和0.01μM化合物浓度进行最高活性化合物的筛选,最终B2,B5,B9,B15四个化合物中筛选出了B2这个最优化合物。该化合物在处理后小麦幼苗在正常条件下地上鲜重增加了60%,根鲜重增加了45%;在盐胁迫条件下地上鲜重增加了159%,根鲜重增加了310%,效果好于ABA,具有很好的抗逆活性。 3.通过对小麦幼苗叶片的光合系统、抗氧化系统、渗透调节物质、内源激素含量和相关基因表达量等生理指标的测定,对B2提高小麦幼苗耐盐性的生理机制进行了研究。结果表明,B2在盐胁迫72小时后提高了光合速率18%,降低了蒸腾速率22%,在盐胁迫5天后,B2处理降低了超氧负离子的生成速率和过氧化氢含量分别为23%和16%,丙二醛的含量和电导率则分别降低了33%和37%,同时相关的抗氧化酶活性都有不同程度的提高,内源激素中玉米素的变化最为显著,提高了205%,通过基因表达量测定发现B2促进了TaSOSl基因的表达,但对TaTIP2;2基因则是正常条件下促进,胁迫条件下降低。因此我们得出B2通过调节植物的各个生理系统缓解盐胁迫对小麦造成的伤害,提高小麦抗逆性。 4.B2是我们基于Pyrabactin的结构设计合成的具有与ABA相似的延缓小麦种子萌发和提高小麦幼苗耐盐活性功能的新化合物,其结构稳定,成本低廉,具有很好的推广和应用前景,实验室后期可对其进行其他作物或逆境的功能研究,同时基于B2优异的活性,可继续进行相关系列化合物的研发和活性筛选,以期获得效果更好的活性分子。


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