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拟南芥线粒体和质外体H_2O_2对抗病性的影响

田沂民  
【摘要】:核黄素结合蛋白(riboflavin-binding protein,RfBP)在体内能够与游离态核黄素(riboflavin,Rib)结合,降低生物体内游离态核黄素的含量。表达RfBP的拟南芥(RfBP+)的线粒体电子传递链(mitochondrial electron transport chain,METC)的19个基因中有13个基因的表达受到抑制,这种电子传递链的变化会导致拟南芥RfBP+细胞内过氧化氢(hydrogen peroxide,H_2O_2)浓度的增加,因为鱼藤酮诱导电子传递链发生的电子泄露也有类似的作用。本实验研究证明RfBP能通过与核黄素结合来促进H_2O_2的积累增强拟南芥对病原菌的抗性。有报道称质外体H_2O_2由质膜上的氧化酶催化产生。当用Hpa1处理拟南芥时,拟南芥表现出抗病性增强的症状。Hpa1定位于质外体,诱导质外体H_2O_2的产生。同时细胞质也出现H_2O_2的积累,进一步实验表明H_2O_2可以在质膜内外进行转运。线粒体H_2O_2和质外体H_2O_2在植物的抗病能力的增强过程中发挥重要作用。而这种内源的H_2O_2和外源的H_2O_2可以通过水通道蛋白(aquaporin,AQP)进行转运。1.核黄素结合蛋白与核黄素结合改变H_2O_2浓度并影响抗病性RfBP能在转RfBP基因的拟南芥中稳定的表达,并且具有淬灭核黄素荧光的生物活性。RfBP在体内能够与游离态黄素结合,降低生物体内游离态核黄素的含量。实验室研究显示,在异源表达RfBP的转基因拟南芥叶片细胞内H_2O_2浓度的增加,提高了茎尖开花调控基因FD和花分生组织特征基因AP1的表达,并诱导提早开花。本实验研究证明拟南芥过表达RfBP能够降低核黄素的含量,促进H_2O_2的积累,增强拟南芥对Pseudomonas syringae pv.tomato(DC3000)的抗性。与此同时,表达RfBP的拟南芥(RfBP+)的线粒体电子传递链的19个基因中有13个基因的表达受到抑制,这种电子传递链的变化可能会导致拟南芥RfBP+细胞内H_2O_2浓度的增加,因为鱼藤酮诱导电子传递链发生的电子泄露也有类似的作用。实验表明,线粒体传递链上的电子泄漏诱导细胞内H_2O_2产生,但这种途径并不是H_2O_2唯一的来源。H_2O_2具有跨膜转运的功能,可能参与多种信号通路的调控。2.Hpa1诱导质外体H_2O_2产生并影响抗病性已有的研究证明,革兰氏阴性植物病原细菌分泌的harpin蛋白能够激活植物防卫反应信号通路,包括产生于质外体H_2O_2信号的转导。我们研究了来源于水稻白叶枯病原细菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae)的harpin蛋白Hpa1在拟南芥中是否影响了H_2O_2的产生以及植物的抗病性。分别把Hpa1和融合了质外体定位信号基因(S)的Hpal(SHpa1)转入拟南芥,产生了转基因拟南芥植株HETAt(Hpa1-expressing transgenic Arabidopsis thaliana)SHETAt(SHpa1-expressing transgenic Arabidopsis thaliana)。本研究发现,转基因拟南芥抗丁香假单胞番茄致病变种菌株DC3000(Pst DC3000)和大白菜软腐病菌菌株RL4(Pcc RL4)。Hpa1定位于HETAt的细胞质和SHETAt的质外体和细胞膜,H_2O_2积累于HETAt的细胞质和SHETA的质外体和细胞质。H_2O_2产生于HETAt的细胞质和SHETAt的质外体,并且产生于质外体的H_2O_2依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NOX)。当Hpa1处理WT植物时,Hpa1定位于质外体并在质外体中诱导H_2O_2的产生,但是质外体和细胞质中都有H_2O_2的积累。在SHETAt和Hpa1处理的WT拟南芥中,如果抑制质外体中H_2O_2的产生,细胞质中就没有H_2O_2的积累并且植物失去抗病能力。这些结果说明,Hpa1诱导的产生于质外体的H_2O_2在参与植物调节抗病过程中需要从质外体运转到细胞质中。AQP蛋白不仅能够运输水分,而且能够转运H_2O_2。同时实验室发现AtPIP1;4、OsPIP1;3能与Hpa1互作(待发表)。Hpa1、AQP和H_2O_2在抗病过程中各自发挥重要作用,彼此之间相互影响。本研究对Hpa1与OsPIP1;3的互作位点进行了初步的研究。


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