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《浙江大学》 2008年
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机理Ⅰ植物缺铁响应机制和信号调控途径

金崇伟  
【摘要】: 缺铁是农业生产上限制作物生产的主要因素之一。对属于双子叶和非禾本科单子叶的机理Ⅰ植物而言,缺铁条件下,根系会作出多种响应来增加吸收利用铁的能力,这些响应包括:诱导高铁还原酶和铁转运体,分泌质子,增加亚根尖根毛发育和侧根发育以及分泌酚类物质等还原性小分子有机物。然而,后两种缺铁响应在改善物铁营养中的贡献仍尚未明确。本文首先以红三叶草(Trifolium pretense L.)为材料,较系统地研究了缺铁诱导的侧根发育和根系分泌的酚类物质在提高根系铁吸收,增加土壤中铁有效性及促进根系质外体铁再利用中的作用及其机制,以及体内酚类物质对生长素代谢的影响及其与缺铁响应之间的关系;另一方面,由于人类活动所导致的大气CO_2浓度增加会促进植物的生长,进而可能影响植物的铁营养,本研究以番茄(Solanum lycopersicom cv.)为材料研究了这一环境因素的变化对植物铁营养吸收的影响;最后,本研究借助病毒诱导的基因沉默技术(VIGS),初步探讨了体内14-3-3蛋白在植物缺铁响应中的调控作用。主要研究结果分为铁吸收机制,体内铁再利用机制,环境因素的影响及铁吸收调控机制等这四个方面,概述如下: 1、侧根发育与根际微生物在植物吸收铁中的作用(铁吸收机制) 缺铁条件下,红三叶草的侧根数量显著增加,并且侧根数量与根系高铁还原酶活性之间显著正相关。此外,对Dasgan等(2002,Plant and Soil,241:97-104)报道的结果作相关性分析也发现,两种不同基因型番茄line 227/1(P1)和Roza(P2),以及它们的两个杂交后代(‘P1×P2’和‘P2×P1’)在两个不同水平(10~(-6)和10~(-7)M FeEDDHA)的低铁条件下生长,它们的根系高铁还原酶活性与侧根数量也呈显著正相关。进一步分析表明,这4种番茄的侧根密度大小趋势又与它们的耐缺铁失绿能力的强弱相一致。这些结果证明了缺铁诱导的侧根数量增加可以提高根系高铁还原酶活性,并由此在增强植物耐缺铁能力上发挥重要作用。 此外,有研究表明土壤微生物能促进植物铁的吸收。本研究中,我们也发现碱性土壤灭菌后,红三叶草的生长和铁吸收受到了明显抑制,但叶面喷施Fe-EDTA溶液和土壤接种根瘤菌使红三叶草的生长和铁吸收均得到恢复。后者现象与根瘤菌结瘤后根系的高铁还原酶活性显著增强有关。 溶液培养条件下,红三叶草根系在缺铁条件下会分泌大量酚类化合物,在碱性土壤培养条件下,也发现根际土壤中酚类物质积累的现象。鉴于酚类物质具有抑菌性,我们测定了缺铁土壤培养的红三叶草根际微生物种群的变化。微生物16s rDNA PCR-DGGE分析和培养试验表明,缺铁培养的红三叶草根际土壤和人为添加根系分泌的酚类物质培养的土壤的微生物群落结构均发生了明显的变化,且都表现为分泌高铁载体(Siderophore)能力强的微生物数量的增加,说明缺铁诱导的根际微生物群落结构变化很可能是根系分泌的酚类物质引起的。在可培养的微生物中,我们还发现,与根系分泌的酚类物质共培养后,增加了土壤中产生长素类物质的微生物的比例。水培试验证明微生物分泌的生长素类物质能有效地增强红三叶草根系还原铁的能力。结合我们以往的研究,提出了机理Ⅰ植物根系分泌物与微生物互作及其对改善植物铁营养的作用的机理模型,即:缺铁诱导根系分泌的酚类物质首先改变了根际微生物群落结构,提高了根际土壤中能分泌高铁载体和生长素类物质的微生物的比例,新的微生物群落又通过增强高铁载体和生长素类物质的分泌促进植物的铁吸收。 2、酚类根系分泌物在红三叶草根系质外体铁再利用上的作用(铁再利用机制) 缺铁根系细胞向根际分泌酚类物质时,须先经过根系的质外体空间。在溶液培养试验中我们发现,用吸着型树脂去除培养液中的酚类根系分泌物后,红三叶草新叶失绿症状更为严重,且后期没有恢复迹象,这一现象暗示了缺铁诱导分泌的酚类物质可能与植物体内的铁再利用有关。进一步分析表明,酚类物质去除后,几乎完全抑制了缺铁根系的质外体铁随缺铁培养时间延长而下降趋势,与之相对应的是,酚类物质去除后,地上部的铁含量明显下降,而根系铁含量却显著提高,表明酚类物质去除后可能减少了根系中的质外体铁向地上部转运,从而加剧了地上部的缺铁症状。然而,去除酚类分泌物同时也增强了缺铁植物根系的高铁还原酶活性和质子分泌,说明这种质外体铁再利用过程并不是由质子分泌利高铁还原酶介导的。根系分泌的酚类物质对根系细胞壁中的铁的解吸动力学试验表明,酚类根系分泌物确能有效释放固定于细胞壁上的铁。上述结果充分证明了缺铁诱导的根系酚类分泌物直接介导了根系质外体铁的再利用,并在改善植物地上部分铁营养中起着十分重要的作用。 3、大气CO_2浓度增加对植物铁营养的影响(环境因素的影响) 目前,地球大气中的二氧化碳浓度(CO_2)正在逐年增加。水培试验结果表明空气中CO_2浓度升高后(800μL L~(-1)),不仅可以显著增加低铁(以难溶性氧化铁铁矿粉为铁源)培养的番茄的生物量,而且还可以显著促进铁吸收,改善植物的铁营养。此外,尽管高CO_2浓度处理改善了植物的铁营养,但与正常大气下生长(CO_2浓度350μL L~(-1))的植物相比,根系的铁还原酶活、质子分泌量和亚根尖根毛发育反而更为强烈,并且FER、FRO1和IRT3个基因的表达也显著增强。通过比较,我们还发现高CO_2浓度处理显著增加了番茄的根冠比。因此,我们认为,缺铁响应增强和根冠比增加可能是高CO_2浓度处理改善植物铁营养的原因,其中前者可能是主要原因。此外,高CO_2浓度处理还明显增加了根系的NO含量,这可能增强缺铁响应的原因。 4、酚类化合物、生长素和14-3-3蛋白在铁吸收上的调控作用(铁吸收调控机制) 缺铁处理显著增加了红三叶草根系的IAA含量。生长素极性运输抑制剂TIBA或NPA处理植物茎部后,显著抑制了缺铁诱导的根系高铁还原酶活性,质子分泌和亚根尖根毛发育等缺铁响应,但并不影响缺铁诱导的根系酚类物质的积累和分泌,表明IAA没有参与后两种缺铁响应的调控,但参与了前几种缺铁响应的调控过程。此外,缺铁处理明显降低了根系的IAA氧化酶活性。有意思的是,缺铁根系的酚类物质对IAA氧化酶活性具有很强的抑制作用,并且这种抑制作用要显著强于铁营养正常根系的酚类物质,表明缺铁导致IAA氧化酶活性下降很有可能是酚类物质在缺铁根系中积累引起的。综上所述,我们认为:缺铁机理Ⅰ植物根系通过增加酚类物质积累来抑制IAA氧化酶的活性,减少IAA在根系中的降解,提高IAA的含量,进而参与调控植物缺铁诱导的高铁还原酶活性、质子分泌和根毛发育。 利用VIGS(病毒诱导的基因沉默)技术,沉默了TFT7 14-3-3基因在番茄中的表达,缺铁处理后,我们发现TFT7 14-3-3基因沉默,明显抑制了根系FER基因的表达,同时也抑制了FRO1基因以及IRT基因的表达,根系的高铁还原酶活性也明显降低。基于转录因子FER在植物缺铁响应中的调控作用,我们认为14-3-3蛋白可能是通过调控FER基因的表达来调控下游缺铁响应的诱导。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:B
【学位授予年份】:2008
【分类号】:Q945

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