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高等植物线粒体复合物Ⅰ氢代谢的研究

张昭  
【摘要】:近年来研究发现,H_2对于众多疾病具有一定的治疗作用,对于植物也有广泛的生物学效应,包括提高植物抗生物/非生物胁迫、促进生长发育等方面。我们推测,氢分子表现出的广泛的植物学效应,很可能与高等植物体内的氢代谢相关。然而之前氢化酶的研究主要集中在低等生物如藻类、厌氧微生物中,高等植物的氢代谢研究甚少。因此,高等植物氢代谢的研究对于氢分子发挥的广泛生物学作用机制的揭开具有重要意义。本研究以绿豆幼苗作为研究对象,研究其产氢规律以及氢代谢机制,主要研究结果如下:1.氢气检测方法的建立。建立了采用顶空气相色谱及氢气微电极测定水相中氢气含量的检测方法。采用顶空法间接测定溶液中氢气含量,经SH-Rt?-Msieve 5A色谱柱分离,在不同氢气浓度范围内(0~1.62 mg/L和0~0.2025 mg/L)与气相色谱的峰面积均具有良好的线性关系,该方法的检出限为8.7x10~(-4) mg/L。使用氢气微电极可直接测定水相中氢气浓度,在0~1.62 mg/L和0~0.2025 mg/L范围内,氢浓度与微电极信号值均呈现良好的线性关系,方法检出限为4.3x10~(-3) mg/L。2.GC-MS测定绿豆种子萌发以及绿豆幼苗生长过程中的产氢规律。使用气相色谱法测定植物内源性氢气含量,结果显示绿豆幼苗在生长过程中能够释放氢气,生长至96 h时产氢量达到最大值。且绿豆幼苗的根以及下胚轴等不同组织均能产氢。通过差速离心法分离不同细胞组分,利用气相色谱法测定不同细胞组分的产氢活性发现,12000 g沉淀、80000 g沉淀组份均具有较高产氢活性。3.首次证明绿豆幼苗线粒体具有产氢活性,产氢的最适条件为10 m M MOPS,0.3 M mannitol,0.1%(w/v)BSA,PH6.0,35℃。进一步研究表明大豆、拟南芥、小麦线粒体均具有产氢活性。4.线粒体产氢机制的研究。为进一步确定高等植物线粒体是否具有产氢活性以及产氢的具体部位,通过体外添加线粒体抑制剂、利用LC-MS测定绿豆幼苗下胚轴线粒体产氢过程中代谢底物的变化等试验研究线粒体产氢机制。结果表明,低浓度鱼藤酮即可显著抑制线粒体产氢活性,由此可知高等植物线粒体产氢活性与线粒体复合物I密切相关。LC-MS实验结果显示在线粒体产氢过程中会伴随着琥珀酸及α-酮戊二酸等代谢底物的大量积累。体外添加底物及辅酶Q实验进一步表明,高等植物线粒体复合物I具有产氢活性,且产氢活性与线粒体复合物I上辅酶Q结合位点密切相关。综上所述,在高等植物的生长过程中能够释放氢气,且高等植物线粒体具有产氢活性。高等植物线粒体产氢活性可能与其电子及质子传递过程相关,尤其与线粒体复合物I上辅酶Q的结合位点上的电子及质子传递密切相关。我们推测高等植物通过氢代谢途径发挥作用,使氢气参与调节生物体的氧化还原平衡,进而提高植物对抗逆境胁迫的能力。这是长久以来关于高等植物线粒体与氢代谢相关的首次研究。


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