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机械伤害诱导豌豆幼苗防御性反应及其调控机制

刘艳  
【摘要】:本研究以豌豆(Pisum sativum L)幼苗为试材,探讨了机械伤害诱导豌豆幼苗防御反应产生的机制,重点分析了茉莉酸和过氧化氢(H_2O_2)作为信号分子的作用及其信号转导过程,主要结果如下: 机械伤害和外源茉莉酸均能诱导豌豆叶片活性氧迸发,以及伤害防御反应PAL、PPO活性提高;相应地,抗氧化酶类活性显著增强,降低膜脂过氧化水平,减轻活性氧损伤。适宜浓度茉莉酸(1~10μmol/L)处理可有效诱导防御反应产生,高浓度茉莉酸(100μmol/L)处理造成豌豆叶片活性氧代谢失调,膜脂过氧化加剧。 利用茉莉酸单克隆抗体,采用胶体金免疫定位技术,进一步观察了茉莉酸在豌豆叶片中的亚细胞分布,以及局部机械伤害后茉莉酸的分布和数量变化。结果显示,茉莉酸在豌豆叶片叶肉细胞和韧皮部中普遍存在,在叶肉细胞的细胞壁和叶绿体中有分布,细胞核和细胞质中也有少量存在。在维管组织中茉莉酸大量分布在韧皮部SE-CC分子细胞壁上,木质部中没有观察到茉莉酸信号。局部机械伤害后,伤害叶片叶肉细胞中茉莉酸积累迅速,邻近叶片中茉莉酸的累积稍有滞后,但在韧皮部SE-CC分子中,无论是伤害叶片还是未伤害的邻近与远端叶片,茉莉酸含量均迅速增加。伤害处理后,茉莉酸合成关键酶LOX和AOS活性提高,但在时间顺序地晚于茉莉酸含量的增加。综合分析认为,伤害早期茉莉酸的重新分配和运输可能是茉莉酸含量局部迅速升高的主要途径,而伤害后期,茉莉酸的从头合成可能是茉莉酸含量增加的来源之一。 进而采用DAB组织染色、CeCl_3细胞化学染色和ZiCl_4显色等多种方法,跟踪了局部机械伤害和外源茉莉酸处理后H_2O_2在整株植株的时空动态变化。结果显示,局部机械伤害和外源茉莉酸处理均可以诱导豌豆幼苗H_2O_2系统性产生,且不同伤害处理叶片H_2O_2迸发的时刻相近,含量相当。质膜NADPH氧化酶抑制剂可以显著抑制伤害和茉莉酸诱导的H_2O_2迸发,H_2O_2的亚细胞定位结果也显示,伤和茉莉酸诱导产生的H_2O_2主要分布于质膜、细胞壁和细胞间隙,分析认为,质膜NADPH氧化酶可能是氧化突发H_2O_2形成的关键酶。进一步分析H_2O_2形成的机制,提取豌豆叶片质膜,测出了质膜NADPH氧化酶活性,且这类NADPH氧化酶活性可以被机械伤害和外源茉莉酸诱导提高,该酶活性动态变化与活性氧产生时间上表现出同步性的特点,该酶抑制剂能有效抑制伤和茉莉酸诱导的H_2O_2累积以及PAL活性提高;相应地,清除H_2O_2,伤和茉莉酸诱导的PAL活性提高同样被抑制,表明质膜NADPH氧化酶的活化和H_2O_2的产生介导了机械伤害和外源茉莉酸诱导的PAL活性提高。伤害和茉莉酸诱导的H_2O_2产生还涉及Ca~(2+)的内流、CaM和蛋白磷酸化与去磷酸化过程。质子泵活性也可被伤和茉莉酸诱导,这种活性诱导属于翻译后调节,并可能在活性氧进发的上游发挥作用。 本研究首次确认了叶肉细胞和韧皮部中茉莉酸的存在和分布;伤引起茉莉酸的运输、分配变化可能参与对防御反应的调控:质膜NADPH氧化酶是伤诱导活性氧迸发的关键酶,H_2O_2作为中间信号分子参与伤和茉莉酸诱导的防御反应。


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