光呼吸产生的H_2O_2调控植物衰老和防御途径的机理研究

【摘要】：植物叶片衰老是受细胞内外一系列代谢因子精细调控的复杂过程,其进程与农产品的品质和产量密切相关。前人的研究发现氧化胁迫的爆发往往与植物衰老息息相关,认为其是导致植物叶片衰老的关键因子。细胞自噬是真核生物进化保守的对细胞内大分子物质(如酶、蛋白质以及细胞器等)降解的过程。研究发现细胞自噬负调控植物叶片衰老进程。此外,植物细胞自噬功能的阻断会导致CAT活性的下降,并伴随着植物体内H202水平的升高,然而细胞自噬调控的氧化胁迫是否诱导植物叶片的早衰尚不明确。针对上述科学问题,本章利用遗传学和生理学等多种手段分析自噬和氧化胁迫对植物叶片衰老的影响。研究发现自然条件下自噬突变体加速植物叶片的早衰过程。进一步实验发现,与野生型相比,自噬功能缺失突变体atg5和atgl8a)在高浓度C02环境中(光呼吸途径被抑制)却加速早衰。此外,遗传学证据显示氧化胁迫增强突变体(cat2 atg2、 cat2 atg5和cat2 atgl8a双突变体)不仅没有进一步加速自噬突变引起的早衰现象,反而延缓叶片早衰进程。以上结果表明：(1)光呼吸作用引发的氧化胁迫可能是植物衰老的抑制因子；(2)其他途径诱导的氧化胁迫以及独立于氧化胁迫的调控因子可能参与植物衰老过程。同时该研究可能为农产品品质改良和增产提供一定的理论依据。H2S已经被报道参与到植物生长发育的各种生理过程,例如种子萌发、根的发育、气孔关闭、渗透压胁迫、盐胁迫、氧化胁迫、金属胁迫、热胁迫、冷冻胁迫、病原菌的抗性、采后生理学等。最近的研究表明DES1是细胞质中一种新的半胱氨酸脱巯基酶,可将半胱氨酸降解为H2S、氨和丙酮酸。因此,我们选择植物中的模式植物拟南芥作为研究系统,用遗传学、生理学等方法探究H2S在光呼吸产生的H202信号转导途径中的作用。研究结果表明,21天的cat2突变体中H2S含量和L-半胱氨酸脱巯基酶(LCD)活显著高于Col-0；而且外源NaHS供体对cat2进行连续浇灌处理,发现21天时cat2突变体的H2S含量,LCD酶活和莲座叶细胞死亡损伤率都显著增加。cat2 desl双突变体中H2S含量降低,但是莲座叶细胞死亡损失率与cat2相比显著降低。通过分析抗氧化酶与抗氧化物质,发现没有显著变化。得出结论：胞质内H2S正调控H202诱导的叶片细胞死亡,并且与谷胱甘肽相关的抗氧化系统无关。