逆境和光照下AOX基因表达与交替路径功能的研究
【摘要】：
植物线粒体电子传递机构中具有一条抗氰呼吸途径或称为交替途径,这条呼吸途径的存在是高等植物呼吸系统区别于动物呼吸系统的重要特征之一。到目前为止,交替途径的功能和信号调控还没有明确的结论,但它在植物中的广泛存在始终让其成为植物生理学研究的热点和前沿课题。
本研究通过对水稻交替氧化酶基因家族不同成员的特异性探针的扩增,调查了在环境胁迫和化学试剂处理下交替氧化酶基因家族的表达模式。通过实验发现,呼吸电子传递链的抑制剂可以强烈诱导AOX1基因家族所有成员的表达;AOX1a和AOX1b基因在干旱和病原菌侵染下被强烈诱导,并受到过氧化氢和水杨酸的上游调控,但脱落酸对交替氧化酶基因家族所有成员均没有明显的诱导作用。通过这些实验揭示了单子叶植物交替氧化酶基因家族成员的差异性表达特性和其信号调节规律。
本研究对光合组织在光照发育下交替氧化酶的运行规律和信号调节机制进行了初步的探索。通过实验发现,在植物初期转绿过程中,光照可以直接刺激交替氧化酶的基因表达和交替途径的运行,而提升的交替途径参与了叶绿体的发育和增殖。随着光合组织在光照下的进一步生长,交替氧化酶基因的表达丰度和交替途径的运行水平也进一步上升,而交替途径在光合组织中的角色也由促进叶绿体的发育转变为优化光合作用。这方面的研究对于进一步了解植物呼吸的生理学意义以及植物体内细胞器之间代谢途径的联系有着较为重要的参考价值。
对逆境胁迫下交替途径运行的信号调节机制和生理学功能的研究表明,在低温胁迫下,交替途径不仅有助于光合组织叶绿体结构的稳定和维持,而且也有助于降低叶绿体在低温下活性氧的积累。在低温胁迫下,增加的交替途径的容量和编码交替氧化酶基因的表达受到过氧化氢主导的信号传递路径的调控,交替氧化酶在植物抗冻以及在过氧化氢诱导的植物获得性抗性中均扮演着重要的角色。在水分胁迫下,交替途径的容量和编码交替氧化酶基因的表达丰度被显著提升。活性氧参与了水分胁迫下交替途径的诱导,而增加的交替途径可以限制干旱下植物活性氧(包括过氧化氢和超氧阴离子)的增加。
【关键词】：交替氧化酶 基因家族 逆境 光照下的发育
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：Q943
【目录】：
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：Q943
【目录】：
- 缩略词表9-10
- 中文摘要10-11
- Abstract11-12
- 第一部分 前言综述12-27
- 1 交替氧化酶在呼吸电子传递链中的位置12-13
- 2 交替氧化酶蛋白及其结构13-15
- 3 交替氧化酶的编码基因15-16
- 4 交替氧化酶和交替呼吸途径的研究方法16-18
- 4.1 转基因技术在交替氧化酶研究中的应用16-17
- 4.2 交替呼吸途径容量和活性的研究17-18
- 5 抗氰交替呼吸途径对环境胁迫的响应18-19
- 6 抗氰交替呼吸途径运行的调控机制19-23
- 6.1 后转录水平调控19-20
- 6.2 转录水平调控20-23
- 7 抗氰呼吸的生理学功能23-26
- 8 课题的提出26-27
- 第二部分 交替氧化酶基因家族表达差异性的研究27-36
- 1 材料与方法27-29
- 1.1 材料27
- 1.2 方法27-29
- 1.2.1 植物材料培养方法与处理27-28
- 1.2.2 探针的制备28
- 1.2.3 扩增片段的克隆与测序28-29
- 1.2.4 组织呼吸参数的测定29
- 1.2.5 总 RNA的提取与Northern杂交29
- 1.2.6 相对含水量的测量29
- 2 实验结果和分析29-33
- 2.1 水稻交替氧化酶基因家族特异性片段的测序结果29-31
- 2.2 不同处理对交替呼吸途径容量的影响31-32
- 2.3 水稻交替氧化酶基因家族成员在不同处理下的表达差异性32-33
- 3 讨论33-36
- 第三部分 抗氰呼吸在植物转绿中的运行和角色36-47
- 1 材料与方法36-38
- 1.1 材料36
- 1.2 方法36-38
- 1.2.1 植物材料培养方法与处理36-37
- 1.2.2 线粒体总蛋白提取37
- 1.2.3 蛋白的SDS-聚丙烯酰铵凝胶电泳37
- 1.2.4 叶片光合二氧化碳固定速率测定37
- 1.2.5 叶绿素含量测定37
- 1.2.6 组织呼吸参数的测定37-38
- 1.2.7 总RNA的提取与Northern杂交38
- 2 实验结果和分析38-43
- 2.1 光照对黄化幼苗总呼吸、交替途径容量的影响38-39
- 2.2 光照下黄化幼苗AOX1基因家族的表达39-40
- 2.3 线粒体总蛋白在植物转绿过程中的变化40
- 2.4 SHAM对交替呼吸途径的抑制40-41
- 2.5 SHAM对光照下完全黄化的幼苗中叶绿素含量的影响41
- 2.6 SHAM对转绿幼苗叶片的二氧化碳固定速率的影响41-42
- 2.7 不同黄化水平的水稻幼苗在光照下交替呼吸途径的容量的变化42-43
- 3 讨论43-47
- 第四部分 光下发育中交替途径的角色和调控的多样性47-56
- 1 材料与方法47-48
- 1.1 材料47
- 1.2 方法47-48
- 1.2.1 植物材料培养方法与处理47-48
- 1.2.2 叶片光合二氧化碳固定速率测定48
- 1.2.3 叶绿素含量测定48
- 1.2.4 组织呼吸参数的测定48
- 1.2.5 总 RNA的提取与Northern杂交48
- 2 实验结果与分析48-53
- 2.1 不同光照培养条件下生长的幼苗叶片的交替呼吸途径对光照的响应48-49
- 2.2 不同光照培养条件下生长的幼苗叶片的交替氧化酶基因对光照的响应49-50
- 2.3 光照对不同光照条件下生长的幼苗叶片的二氧化碳固定速率和叶绿素的影响50-51
- 2.4 SHAM对交替呼吸途径的抑制51-52
- 2.5 SHAM对不同条件下生长的幼苗叶片的二氧化碳固定速率和叶绿素的影响52-53
- 3 讨论53-56
- 3.1 光照和发育中交替氧化酶基因表达的模式53-54
- 3.2 交替氧化酶可能直接为光所调节54-55
- 3.3 交替氧化酶在光合中的角色依赖于光合组织的发育阶段55-56
- 第五部分 交替途径对逆境下叶绿体的保护56-62
- 1 材料与方法56-57
- 1.1 材料56
- 1.2 方法56-57
- 1.2.1 植物材料培养方法与处理56
- 1.2.2 电子显微观察叶绿体的结构和过氧化氢沉积56-57
- 1.2.3 植物组织过氧化氢含量的测量57
- 1.2.4 细胞膜相对透性的测量57
- 2 实验结果与分析57-59
- 2.1 SHAM和低温处理对于幼苗叶片过氧化氢含量的影响57-58
- 2.2 SHAM和低温处理对于幼苗叶片细胞膜相对透性的影响58
- 2.3 SHAM和低温处理对于幼苗叶片叶绿体结构和过氧化氢的沉积的影响58-59
- 3 讨论59-62
- 第六部分 交替呼吸途径对植物抗冻性的贡献及其调控机制的研究62-72
- 1 材料与方法62-64
- 1.1 材料62
- 1.1.1 供试材料62
- 1.1.2 交替氧化酶基因探针62
- 1.1.3 杂交带分析软件62
- 1.2 方法62-64
- 1.2.1 植物的培养和处理62-63
- 1.2.2 呼吸速率的测定63
- 1.2.3 电子渗漏的测量63
- 1.2.4 总RNA的提取与Northern杂交63
- 1.2.5 植物组织过氧化氢含量的测量63-64
- 1.2.6 细胞膜相对透性的测量64
- 2 实验结果和分析64-69
- 2.1 过氧化氢的预处理诱导植物的抗冻性64-65
- 2.2 低温和外源过氧化氢对于交替呼吸途径的影响65-66
- 2.3 过氧化氢对于交替呼吸途径和交替氧化酶基因的诱导66-68
- 2.4 提升的交替呼吸途径参与了植物的抗冻性68-69
- 3 讨论69-72
- 第七部分 交替呼吸途径在水分胁迫中的角色和调控72-80
- 1 材料与方法72-74
- 1.1 材料72-73
- 1.1.1 供试材料72
- 1.1.2 活性氧抑制剂72
- 1.1.3 交替氧化酶基因探针72
- 1.1.4 杂交带分析软件72-73
- 1.2 方法73-74
- 1.2.1 植物的培养和处理73
- 1.2.2 呼吸速率的测定73
- 1.2.3 超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量的测定73-74
- 2 实验结果和分析74-77
- 2.1 水分胁迫对于幼苗叶片交替呼吸途径的影响74
- 2.2 交替呼吸途径参与了水分胁迫下植物的抗氧化74-75
- 2.3 水分胁迫下活性氧清除剂对交替呼吸途径的影响75-77
- 3 讨论77-80
- 第八部分 结论80-82
- 参考文献82-93
- 致谢93-94
- 在学期间已发表的研究成果94
| 【参考文献】 | ||
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| 【共引文献】 | ||
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| 【二级参考文献】 | ||
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| 【相似文献】 | ||
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