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胡杨质膜Na~+/H~+逆向转运系统调控拟南芥盐诱导H_2O_2信号通路的研究

王美娟  
【摘要】:植物对盐胁迫的感知是通过根细胞的质膜,同时盐胁迫对植物的伤害最早也发生在质膜上,植物质膜Na+/H+逆向转运系统在盐胁迫下对维持K+/Na+离子平衡有重要作用。 我们之前的研究结果表明:与盐敏感的杨树相比,耐盐的胡杨在盐胁迫与非盐胁迫下质膜(PM)H+-ATPase和Na+/H+逆向转运蛋白(SOS1)均有较高的的表达量。国内外研究显示,PM Na+/H+逆向转运系统可参与植物对逆境胁迫的响应。再有,胡杨在盐胁迫下产生的H202有助于调控细胞的K+/Na+平衡。为了进一步阐明质膜Na+/H+逆向转运系统在胡杨响应和适应盐胁迫中的作用,本实验将克隆的胡杨质膜H+-ATPase(PeHA1)和SOS1(PeSOS1)基因转化到拟南芥中,并利用异源表达PeHA1或PeSOS1基因的拟南芥与野生型拟南芥进行比较,研究了盐胁迫下拟南芥的萌发率、根长、生物量、K+、Na+和Ca2+离子含量、根尖的K+、Na+和H+离子流动、H+转运活性和Na+/H+逆向转运活性、H202的产生及抗氧化酶的活性等生理生化指标。 结果显示,异源表达PeHAl或PeSOS1基因显著提高了拟南芥的耐盐性,具体表现在:PeHA1或PeSOS1基因过表达拟南芥株系在盐胁迫下有较高的萌发率;K+和Ca2+离子含量高于野生型拟南芥,而Na+离子含量低于野生型拟南芥。非损伤离子选择性微电极技术(NMT)的结果进一步证明,在转基因拟南芥中Na+/H+逆向转运蛋白和质膜质子泵明显被激活,在促进Na+外排的同时,盐诱导的K+外流被抑制。这是由于PeHA1的表达加强了质子动力势,进而抑制了去极化激活的K+外向通道所介导的K+外流;再者,转基因植株中的PeHA1或PeSOS1均参与了Na+的外排,从而在盐胁迫下维持了细胞内K+/Na+平衡,保证了细胞正常的生命代谢活动顺利进行。值得关注的是,转PeHA1或PeSOS1基因拟南芥的根系在非胁迫状态下就能产生较多的胁迫信使H202,而且,在盐胁迫下转基因植株均能更快的产生H2O2。当利用质膜NADPH氧化酶的抑制剂DPI抑制活性氧的产生时,明显改变了转基因拟南芥在盐胁迫下离子流动,K+/Na+平衡难以维持,说明H2O2能通过调控质膜上的离子转运体和离子通道以维持胞内离子平衡。再者,在盐胁迫以及非盐胁迫下,过表达PeHA1或PeSOS1基因拟南芥抗氧化酶(CAT,APX)的活性高于野生型,这也与初始盐胁迫诱导的H2O2有关。 我们推测,Na+/H+逆向转运系统H+-ATPase和Na+/H+逆向转运蛋白(SOS1)均能响应初始盐胁迫,诱发H202的快速产生,通过H2O2、Ca2+等信号途径,调控胞内的K+/Na+平衡,同时,盐诱导产生的H2O2还能激活抗氧化酶,维持胞内的活性氧平衡,从而在长期盐胁迫环境下减轻NaCl造成的离子胁迫和氧化胁迫。


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