活性氧、一氧化氮、细胞质游离钙离子和G蛋白在小麦对条锈菌过敏性坏死反应中的作用

【摘要】：细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)是由细胞自身基因启动和调控的一种死亡方式,是高等生物在长期演化过程中形成的一种及时清除不需要的细胞和有害机体的细胞机制。植物过敏性坏死反应(hypersensitive response, HR)是植物与病原菌非亲和互作的最常见表型,受侵细胞及其邻近组织快速坏死,产生褪绿或枯死斑。在HR反应的晚期可以观察到细胞质的凝聚皱缩、细胞质膜和核膜产生泡突、染色质凝聚和排斥、核DNA降解和核酸酶的激活。这说明植物HR细胞死亡过程是一种独特的PCD途径。很多研究表明,HR的发生不是病原菌侵染造成的直接损伤,而是植物内基因控制的抗病反应。小麦对条锈病菌的侵染存在极为典型的HR防卫反应,利用小麦与条锈菌互作体系作为研究对象,揭示小麦对条锈病菌的防卫反应机制,具有重要的理论和实际意义。 近年来,人们致力于研究植物的抗病机制及其调控,并取得了长足进展,其中发现以超氧阴离子(O_2~(·-))和过氧化氢(H_2O_2)为主要成分的ROS对植物的抗病起着重要作用。一方面ROS通过非酶促和酶促方式直接攻击膜系统中的不饱和脂肪酸,启动膜脂过氧化的发生和膜蛋白间的聚合,从而破坏植物细胞膜的结构与功能。另一方面,ROS作为信号物质参与植物对病菌侵染的防御反应、细胞死亡和抗病基因表达的调控等。哺乳动物中重要的信号分子气态NO自由基,在植物中被证实是细胞信号的介导子,在诸如生长发育、气孔关闭、伤口愈合、非生物胁迫的抵御及植物抗性的激活等很多的方面起作用。植物异源三聚体G蛋白负责将G蛋白偶联的受体和质膜内侧的效应器偶联起来,在细胞信号跨膜传导中发挥重要作用,调控许多诸如细胞对激素,干旱,光和病原物等的反应、离子通道的开放、细胞分裂发生等细胞生理过程。Ca~(2+)在植物中是一个非常重要的第二信使,通过细胞质自由的钙离子浓度([Ca~(2+)]cyt)在空间和时间上的变化将细胞表面上接收的信号传递到细胞内并由一系列的Ca~(2+)“敏感元件”分析和译解,调节植物生长、发育、抗逆等生理反应。 本研究利用小麦品种洛夫林13和具有不同致病力的单孢锈菌CY29和CY25之间的不同互作表现,对锈菌侵染小麦叶片后引起的ROS和NO的积累、保护酶系活性变化动态、原生质膜的透性改变、[Ca~(2+)]cyt和G蛋白的活性等方面,探讨了ROS、NO、[Ca~(2+)]cyt和G蛋白活与HR细胞死亡的关系。研究结果表明: 1.小麦叶片在受到条锈菌侵染后发生的2次ROS爆发在植物抵御病菌侵染中具有关键的作用。前期起作用的ROS主要是H_2O_2,其作用是作为信号物质激活细胞对病菌的包括HR在内的防卫反应;而后期起作用的ROS主要是O_2~(·-),其作用是杀死病菌和细胞本身。 2.在小麦与锈菌互作体系中,无论是毒性小种还是无毒小种都能引起小麦叶片内还原态谷胱甘肽(GSH)的迅速升高,且升高的幅度基本相同。亲和体系小麦叶片在毒性小种侵染后氧化态谷胱甘肽(GSSG)含量急剧增多,而非亲和体系中尽管氧化态谷胱甘肽GSSG含量也有增加,但增加幅度不大。小麦受到锈菌侵染后叶片内GSH和GSSG比值(GSH/GSSG)可作为小麦对条锈病菌抗感判断指标。在小麦洛夫林13与条锈病菌的互作体系中,比值为0.2是小麦抗感的临界值,即小麦叶片内GSH/GSSG长时间大于0.2,小麦小麦就处于抗病状态,而当小麦叶片内GSH/GSSG长时间低于0.2,小麦就处于感病状态。 3. NO在小麦与锈菌互作中的作用是双向的,NO既作用于寄主小麦又作用于锈菌本身,且这种作用的最终表现取决于NO在细胞中的浓度。合适浓度的NO一方面抑制入侵到接种细胞内的病菌不能继续生长发育,另一方面NO在小麦与条锈病作用体系中具有信号分子的作用诱导了邻近细胞的防卫反应,使其产生HR反应,抑制病菌的进一步扩展、危害。细胞内NO/ROS比值决定小麦对锈菌的抗性表型:当NO的浓度是ROS浓度的1.3倍及以上时,小麦对锈菌的抗性表型为高抗或免疫;当NO的浓度是ROS浓度的1.3倍以下时,小麦对锈菌的抗性表型为感病。所以,NO和ROS的相对浓度在小麦对条锈病菌的抗性表现极为关键。 4.条锈病菌侵染小麦后,小麦叶片细胞内[Ca~(2+)]CYT的增加是HR的必要条件。Ca~(2+)是小麦产生HR的胞内信使或第二信使参与植物抗病防卫反应。 5.小麦叶片细胞质膜上的G蛋白被无毒小种激活,将信号跨膜传递到细胞内,从而使得小麦对无毒小种的抗性在被侵染细胞及其临近细胞中表达,HR反应得以发生。

【关键词】：小麦条锈病 活性氧 一氧化氮 细胞质游离钙离子 G蛋白 过敏性坏死反应
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S435.121
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