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不同剂量UV-B辐射诱导拟南芥气孔关闭过程中乙烯、异三聚体G蛋白和过氧化氢的作用及其相互关系

作　者: 雷雪
导　师: 贺军民
学　校: 陕西师范大学
专　业: 植物学
关键词: UV-B 乙烯 乙烯信号元件 异三聚体G蛋白 H2O2 NADPH氧化酶 过氧化物酶 拟南芥 气孔运动
分类号: Q947
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


UV-B辐射作为一种重要的环境信号对植物生长发育的许多方面均有显著影响,因此研究植物细胞感知UV-B辐射的信号转导机制具有重要的理论意义和实践意义。以前的研究已显示不同剂量UV-B均能诱导气孔关闭；乙烯通过诱导保卫细胞过氧化物酶(POD)途径的过氧化氢(H2O2)形成介导了0.8W·m-2UV-B辐射诱导的蚕豆气孔关闭；异三聚体G蛋白α亚基(Ga)通过诱导保卫细胞NADPH氧化酶途径的H202形成参与了0.5W·m-2UV-B辐射诱导拟南芥气孔关闭的信号转导过程。可见,虽然以前的证据已显示乙烯、Ga和H202均参与UV-B诱导气孔关闭的信号转导过程,但是由于不同研究所用材料及UV-B剂量不同,因此使人们不能系统而全面的了解不同剂量UV-B诱导气孔关闭的信号转导途径的异同以及这些信号分子之间的相互关系。本论文选用拟南芥野生型和各种突变体的叶片为材料,借助药理学、遗传学方法和激光共聚焦扫描显微镜技术,主要探究了(1)不同剂量UV-B辐射对拟南芥气孔运动的影响；(2)乙烯信号元件、Ga和H202是否都参与不同剂量UV-B辐射诱导的拟南芥气孔关闭；(3)不同剂量UV-B辐射下,H202的来源途径是否一致；(4)低剂量UV-B辐射诱导气孔关闭的信号途径中,乙烯信号元件、Ga和H202之间的相互关系。本研究得到以下主要实验结果和结论：1、UV-B辐射诱导野生型拟南芥叶片气孔关闭具有剂量依赖性,当UV-B剂量达到0.5W.m-2时气孔开度降低程度最大,达到0.65W.m-2时气孔关闭程度达到最大。因此,本论文用0.5W·m-2UV-B辐射代表低剂量UV-B处理,而0.65W.m-2UV-B辐射代表高剂量UV-B处理。2、低剂量UV-B辐射和外源乙烯不能诱导乙烯受体ETR1和EIN4、铜离子转运体RAN1和乙烯信号转导元件EIN2、EIN3和ARR2的功能缺失突变体气孔关闭,而高剂量UV-B能够诱导这些突变体气孔关闭。表明乙烯参与低剂量但不参与高剂量UV-B辐射诱导的拟南芥气孔关闭,且乙烯信号元件ETR1、EIN4、 RAN1、EIN2、EIN3和ARR2均参与低剂量UV-B诱导气孔关闭的信号转导过程。3、Ga抑制剂PTX(百日咳毒素)能完全阻断低剂量UV-B辐射诱导的气孔关闭,但是不能完全阻断高剂量UV-B辐射诱导的气孔关闭,而CTX(霍乱毒素,Ga活化剂)能显著诱导可见光下拟南芥叶片的气孔关闭；低剂量UV-B对拟南芥G蛋白a亚基GPAl功能缺失突变体gpa1-1和gpa1-2气孔开度无明显影响,而高剂量UV-B能显著诱导gpa1-1和gpa1-2气孔关闭；低剂量UV-B辐射下wGa (GPA1过表达转基因系)和cGa (GPA1组成活化性转基因系)的气孔关闭速度比野生型快。表明Ga参与低剂量但不参与高剂量UV-B辐射诱导的拟南芥气孔关闭。4、H2O2清除剂抗坏血酸(ASA)和过氧化氢酶(CAT)均能显著降低不同剂量UV-B辐射下保卫细胞H2O2水平、并抑制其诱导的气孔关闭,说明H2O2参与不同剂量UV-B诱导气孔关闭的信号转导过程。但是,低剂量UV-B诱导的保卫细胞H2O2生成和气孔关闭能被NADPH氧化酶的抑制剂二苯基碘(DPI)显著抑制,却不能被细胞壁过氧化物酶抑制剂水杨苷异羟肟酸(SHAM)抑制,而高剂量UV-B诱导的保卫细胞H2O2生成和气孔关闭能被SHAM显著抑制,但不能被DPI显著抑制；低剂量UV-B不能诱导NADPH氧化酶功能缺失突变体AtrbohD、 AtrbohF、AtrbohD/F的保卫细胞H2O2生成和气孔关闭,而高剂量UV-B能诱导这些突变体保卫细胞H2O2生成和气孔关闭,且SHAM能明显逆转高剂量UV-B诱导的突变体保卫细胞H2O2生成和气孔关闭。说明介导低剂量UV-B诱导气孔关闭的H2O2主要来自NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF途径,而介导高剂量UV-B诱导气孔关闭的H2O2主要来自细胞壁过氧化物酶(POD)途径。5、低剂量UV-B辐射和外源乙烯虽然能诱导野生型拟南芥保卫细胞H202生成和气孔关闭,但是均不能诱导AtrbohD/F、etrl, ein4和ran1突变体的保卫细胞H2O2生成和气孔关闭以及ein2, ein3和arr2突变体的气孔关闭,但能诱导ein2, ein3和arr2突变体保卫细胞H2O2生成；外源H2O2能逆转AtrbohD/F、etrl, ein4和ran1突变体气孔运动对低剂量UV-B辐射和外源乙烯的不敏感性,但不能逆转ein2, ein3和arr2突变体气孔运动对低剂量UV-B辐射和外源乙烯的不敏感性。表明低剂量UV-B辐射下乙烯通过其受体ETR1和EIN4以及铜离子转运体RAN1诱导NADPH氧化酶途径的H2O2生成,生成的H2O2进而依赖于乙烯信号转导元件EIN2, EIN3和ARR2诱导气孔关闭。6、低剂量UV-B辐射和外源乙烯单独处理和复合处理都不能诱导gpa1-1和gpa1-2突变体气孔关闭和H2O2的合成,但是能诱导wGa和cGa突变体气孔关闭和H2O2的合成；在可见光、外源乙烯或低剂量UV-B辐射下,CTX都能诱导ertl, ein4和ran1突变体气孔关闭和保卫细胞H202的合成以及ein2, ein3和arr2突变体保卫细胞H2O2的生成,但不能诱导ein2, ein3和arr2突变体气孔关闭。结合以上结果表明在低剂量UV-B辐射诱导拟南芥气孔关闭的信号转导途径中,乙烯通过ETR1, EIN4和RAN1首先活化Ga,活化的Ga通过调节NADPH氧化酶的活性诱导H2O2的生成,生成的H2O2进而依赖于乙烯信号转导元件EIN2, EIN3和ARR2诱导气孔关闭。总之,本文结果阐明不同剂量UV-B辐射诱导气孔关闭的信号转导机制不同：乙烯和Ga只参与低剂量UV-B辐射诱导的气孔关闭,但不参与高剂量UV-B辐射诱导的气孔关闭；H202参与不同剂量UV-B辐射诱导的气孔关闭,但是在低剂量UV-B辐射下1-12O2主要来自NADPH氧化酶AtrbohD和AtrbohF途径,而高剂量UV-B辐射下H202主要来自POD途径；低剂量UV-B辐射诱导气孔关闭的信号转导途径是：UV-B诱导乙烯生成,乙烯通过其受体ETR1和EIN4以及铜离子转运体RAN1活化Ga, Ga诱导NADPH氧化酶途径的H202生成,生成的H202进而依赖于乙烯信号转导元件EIN2, EIN3和ARR2诱导气孔关闭。

全文目录


摘要  3-6
Abstract  6-10
主要縮略语词汇表  10-14
第1章 文献综述  14-28
  1.1 UV-B辐射增强对植物的影响  14-16
    1.1.1 UV-B辐射增强是一种重要的环境问题  14
    1.1.2 UV-B辐射增强对植物的影响  14-15
    1.1.3 UV-B辐射增强对植物气孔的影响  15-16
  1.2 乙烯在植物气孔运动中的作用  16-19
    1.2.1 乙烯在植物体内的生理作用及生物合成途径  16
    1.2.2 乙烯的信号转导机制  16-18
    1.2.3 乙烯对植物气孔运动的影响  18-19
    1.2.4 乙烯诱导气孔关闭的信号转导机制  19
    1.2.5 乙烯在UV-B诱导植物气孔关闭过程中的作用  19
  1.3 异三聚体G蛋白在植物气孔运动中的作用  19-22
    1.3.1 G蛋白概述  20
    1.3.2 异三聚体G蛋白对植物的影响  20-21
    1.3.3 G蛋白对植物气孔运动的影响  21-22
  1.4 H_2O_2在植物气孔运动中的作用  22-24
    1.4.1 植物体内H_2O_2的产生途径  22-23
    1.4.2 植物体内H_2O_2的生理功能  23
    1.4.3 H_2O_2在气孔运动中的作用  23-24
  1.5 乙烯、H_2O_2、G蛋白在气孔运动中的相互关系  24-26
    1.5.1 乙烯与H_2O_2在气孔运动中的关系  24-25
    1.5.2 G蛋白与H_2O_2在气孔运动中的关系  25
    1.5.3 乙烯与G蛋白在气孔运动中的关系  25-26
  1.6 本论文的立题依据  26-28
第2章 材料与方法  28-32
  2.1 实验材料  28
  2.2 试剂和仪器  28
  2.3 实验方法  28-32
    2.3.1 材料培养  28-29
    2.3.2 UV-B辐射处理  29
    2.3.3 气孔开度的测量  29-30
    2.3.4 激光扫描共聚焦显微镜检测保卫细胞内源H_2O_2水平  30-32
第3章 实验结果与分析  32-52
  3.1 不同剂量UV-B对拟南芥气孔开度的影响  32-33
  3.2 乙烯在不同剂量UV-B诱导拟南芥气孔关闭中的作用  33-35
    3.2.1 乙烯受体及其信号元件参与乙烯诱导的拟南芥气孔关闭  33-34
    3.2.2 乙烯参与低剂量、但不参与高剂量UV-B辐射诱导拟南芥气孔关闭  34-35
  3.3 Gα在不同剂量UV-B辐射诱导拟南芥气孔关闭中的作用  35-37
    3.3.1 PTX与CTX对可见光和不同剂量UV-B辐射下气孔开度的影响  35
    3.3.2 不同剂量UV-B 射对G蛋白a亚基功能缺失突变体gpa1-1和gpa1-2气孔开度的影响  35-36
    3.3.3 低剂量UV-B对G蛋白α亚基过表达(wGα)和组成活化型(cGα)转基因系气孔开度的影响  36-37
  3.4 H_2O_2在不同剂量UV-B诱导拟南芥气孔关闭中的作用  37-42
    3.4.1 H_2O_2清除剂和合成抑制剂对不同剂量UV-B辐射诱导气孔开度及保卫细胞内源H_2O_2水平升高的影响  37-39
    3.4.2 不同剂量UV-B对NADPH氧化酶突变体气孔运动和H_2O_2水平的影响  39-42
  3.5 乙烯通过诱导的H_2O_2的合成参与低剂量UV-B诱导的拟南芥气孔关闭  42-46
    3.5.1 外源H_2O_2对外源乙烯或低剂量UV-B辐射下乙烯信号元件突变体气孔开度的影响  42-44
    3.5.2 低剂量UV-B和外源乙烯处理对乙烯受体及其信号元件突变体保卫细胞内源H_2O_2含量的影响  44-45
    3.5.3 外源乙烯不能逆转NADPH氧化酶功能缺失突变体对低剂量UV-B的不敏感性  45-46
  3.6 Ga通过诱导H_2O_2的合成参与低剂量UV-B诱导的拟南芥气孔关闭  46
  3.7 乙烯介导低剂量UV-B诱导拟南芥气孔关闭和保卫细胞H_2O_2的合成依赖于Gα  46-52
    3.7.1 外源乙烯对低剂量UV-B辐射和可见光下G蛋白相关突变体气孔开度和H_2O_2合成的影响  46-48
    3.7.2 CTX对外源乙烯或低剂量UV-B辐射下乙烯信号元件突变体气孔开度和H_2O_2合成的影响  48-52
第4章 讨论  52-58
  4.1 不同剂量UV-B诱导拟南芥气孔关闭的信号转导机制不同  52-53
  4.2 不同剂量UV-B辐射下H_2O_2的合成途径不同  53-54
  4.3 乙烯,G蛋白和H_2O_2在低剂量UV-B诱导拟南芥气孔关闭过程中的上下游关系  54-55
  4.4 有待进一步探究的问题  55-58
第5章 总结  58-60
参考文献  60-72
致谢  72-74
攻读硕士学位期间研究成果  74

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中图分类: > 生物科学 > 植物学 > 植物生物物理学
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