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《兰州大学》 2010年
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高山离子芥再生苗响应低温和干旱的生理机制研究

李玉华  
【摘要】:高山离子芥(Chorispora bungeana Fisch. C.A.Mey)是典型的高山冰缘植物,能在温度剧烈变化和零下低温下生长发育,开花结果,具有很强的抗冻性。研究发现该植物具有生理生化和分子水平上的抗冷冻调节机制,是研究植物适应冷冻环境分子机制的理想材料。我们从高山离子芥中克隆得到一种新的决定叶绿素生物合成,叶绿体发育的关键酶—原叶绿酸氧化还原酶(POR,EC:1.3.1.33)基因,命名为CbPORB。为了研究CbPORB在高山离子芥冷冻环境胁迫过程中是否具有抗冷冻性,使用半定量PCR技术和Western blot技术对CbPORB在不同器官和不同低温处理下的表达模式进行了研究。另外,我们还研究了油菜素内酯(24-epibrassinolide,EBR)对高山离子芥CbPORB表达水平以及对干旱胁迫的抗性影响。结果如下: 1.使用快速扩增末端技术扩增得到完整的高山离子芥原叶绿酸氧化还原酶基因CbPORB,将cDNA序列提交到NCBI数据库(序列接受号为FJ390503)。CbPORB基因全长1444 bp,包含一个1209 bp的开放阅读框(ORF),编码402个氨基酸的蛋白。软件计算高山离子芥CbPORB蛋白的等电点为9.43,推测其分子量为43.37kDa。比对CbPORB和其它物种的POR发现和拟南芥AtPORB的同源性最高,因此命名高山离子芥POR蛋白为CbPORB(序列号为ACJ12925)。CbPORB蛋白与已知的AtPORB、PsPOR、CsPOR、HvPORB等蛋白高度同源。说明CbPORB属于POR基因家族。 2.氨基酸序列分析显示,CbPORB蛋白含有其他PORs所有的结构特征,如IRAQ四肽,构成转移肽酶切位点;Tyr-277和Lys-281对POR酶活性必需的氨基酸残基和四个高度保守的半胱氨酸(Cys)残基。a螺旋和无规则卷曲结构交错构成了二级结构的主要部分。CbPORB是细胞核编码,在细胞质中翻译形成分子量比较大的蛋白质前体,然后通过质体被膜进入质体,定位在质膜上。 3. CbPORB在叶、茎中表达,根中不表达,具有器官特异性,与其定位于质体被膜,在成熟叶绿体中主要分布于类囊体膜上行驶其功能的推测相吻合;CbPORB在离子芥叶片中不同胁迫处理下的表达情况,发现4℃冷胁迫3d的植株,检测到CbPORB基因的表达量为常温的80%;CbPORB基因在-4℃处理2d表达量仍较高,为对照水平的70%,到第3 d表达量迅速下降。说明CbPORB是一种受低温胁迫被抑制的功能基因,低温下叶绿素的下降与CbPORB基因和蛋白水平的下降是密切相关的。但是,CbPORB在冷冻胁迫下被抑制的程度和以前的研究结果有很大的不同,在冷胁迫下被抑制的程度很小,说明高山离子芥的POR基因具有抗冷冻的特性。另外,CbPORB基因还可以被PEG抑制,但在EBR处理后表达量升高。 4.用PAM-2100荧光仪对低温(4℃和-4℃)处理下高山离子芥再生苗的叶绿素荧光数据进行分析,发现-4℃使有活性的光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心减少,PSⅡ的最大光化学效率(Fv/Fm)和光量子产量(FPSⅡ)大大降低。表明不仅PSⅡ本身受到-4℃冻胁迫的损害,电子传递活性受损,PSⅡ下游电子传递也受到影响。但是4℃冷处理对PSⅡ反应中心,PSⅡ的Fv/Fm和FPSⅡ和对照比没有明显的降低,说明冷胁迫对高山离子芥的PSⅡ没有显著的影响。4℃和-4℃低温处理下,高山离子芥叶绿素荧光的光化学淬灭(qP)和非光化学淬灭(NPQ)都没有显著的变化,表明冷冻胁迫没有造成高山离子芥PSⅡ反应中心开放程度的显著降低和PSⅡ天线色素热耗散的增加。 5.BRs可作为外源信号分子诱导植物的逆境胁迫抗性。高山离子芥幼苗叶片喷施0.1μM EBR后进行干旱处理(PEG诱导),结果发现:干旱胁迫条件下,叶绿素含量,PSⅡ的Fv/Fm和FPSⅡ显著下降,但EBR减轻了这些参数的降低。另外,EBR预处理的幼苗在干旱胁迫下,其质膜透性,丙二醛(MDA)含量比单独干旱胁迫下明显降低,但EBR预处理的幼苗叶片中相对含水量(RWC)和抗氧化酶活性却比单独干旱胁迫下明显升高。这说明EBR可能通过调节抗氧化系统从而增强高山离子芥的抗旱能力。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:Q945.78

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