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《南京农业大学》 2013年
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血红素加氧酶1介导氢气和抗坏血酸增强紫花苜蓿非生物胁迫耐性的分子机理

金奇江  
【摘要】:近年来,动物中的研究表明氢气(hydrogen gas,H2)可以作为重要的信号分子调节动物抗氧化、抗炎症和抗凋亡的能力,然而其在植物中的功能及信号转导途径尚不明确;此外,抗坏血酸(ascorbic acid,AsA)在缓解镉胁迫中起到重要的作用,但是AsA作用的机制和相关信号通路仍不清楚。因此,我们针对上述问题展开了研究,取得了以下的主要结果: 1、百草枯(paraquat,PQ)胁迫可以诱导紫花苜蓿幼苗内H2的产生。当以富氢水(hydrogen-rich water,HRW)的形式给植物供给H2,发现HRW可以显著增强紫花苜蓿对PQ造成的氧化伤害的耐性;主要表现为HRW处理可以缓解PQ对幼苗根生长的抑制、减少脂质过氧化和降低组织中过氧化氢(H202)和超氧阴离子(02-)的含量。另外,H2可以诱导细胞内一些代表性抗氧化酶的活性与转录本。进一步的研究发现,H2预处理可以显著增加紫花苜蓿血红素加氧酶1(HO1)基因的表达水平、蛋白含量和HO酶活性;H2的缓解作用可以被HO活性抑制剂锌原卟啉IX(zinc protoporphyrin IX,ZnPP)所抑制,而这种抑制作用又能被HO1催化反应产物一氧化碳(carbon monoxide, CO)所逆转。此外,我们还发现H2预处理可以增强紫花苜蓿对其它多种环境胁迫的耐性。这些结果暗示着H2可能是紫花苜蓿抵御环境胁迫过程中的一个重要的信号分子,并可能通过HO1介导其保护作用。 2、脱落酸(abscisic acid, ABA)和干旱胁迫可以显著诱导紫花苜蓿组织中H2的产生。以HRW的形式给紫花苜蓿供给H2可以显著增强其对外源ABA的敏感性,包括种子的发芽率、根的伸长和气孔关闭;同时HRW处理的幼苗中H2O2含量在有外源ABA处理或受到水分胁迫时显著的比未处理的高,并能增强紫花苜蓿对干旱胁迫的耐性。进一步的药理学实验表明,NADPH氧化酶抑制剂二甲基苯碘(diphenyleneiodonium, DPI)和H202化学清除剂N,N’-二甲基硫脲(N,N'-dimethylthiourea, DMTU)可以抑制HRW对紫花苜蓿幼苗干旱胁迫耐性的增强作用。随后研究发现,HRW和干旱处理可以显著提高紫花苜蓿幼苗叶片质外体的pH;使用H+-ATPase抑制剂钒酸盐(vanadate)进行处理,结果表明vanadate可以显著缓解H2对质外体汁液pH的碱化作用和增加气孔对ABA和缺水敏感性的作用。以上结果表明H2调节质外体汁液pH和气孔关闭通过一条依赖于ABA信号途径的机制,并暗示H2可能是紫花苜蓿ABA依赖的干旱胁迫响应中新的正调控因子。 3、镉(cadmium,Cd)胁迫导致紫花苜蓿幼苗受到严重的氧化伤害并显著降低组织内AsA含量;外源添加AsA不仅可以增加幼苗内源AsA的含量,而且可以进一步促进镉诱导HO1表达和活性;此外,AsA可以降低幼苗根部对镉的积累和镉胁迫造成的氧化伤害。HO1的抑制剂ZnPP可以抑制AsA的上述作用,外源添加HO1两个催化反应产物50%饱和CO水溶液或胆红素(bilirubin,BR)可以逆转ZnPP的抑制作用。AsA对抗氧化酶的诱导作用也可以被ZnPP所抑制,并可以被CO逆转。综上所述,AsA的细胞保护作用至少一部分是通过HO1诱导的抗氧化系统和降低Cd积累发挥的。
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:Q945.78

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