植物线粒体电子传递机构中具有一条抗氰呼吸途径或称为交替途径,这条呼吸途径的存在是高等植物呼吸系统区别于动物呼吸系统的重要特征之一。到目前为止,交替途径的功能和信号调控还没有明确的结论,但它在植物中的广泛存在始终让其成为植物生理学研究的热点和前沿课题。本研究通过对水稻交替氧化酶基因家族不同成员的特异性探针的扩增,调查了在环境胁迫和化学试剂处理下交替氧化酶基因家族的表达模式。通过实验发现,呼吸电子传递链的抑制剂可以强烈诱导AOX1基因家族所有成员的表达;AOX1a和AOX1b基因在干旱和病原菌侵染下被强烈诱导,并受到过氧化氢和水杨酸的上游调控,但脱落酸对交替氧化酶基因家族所有成员均没有明显的诱导作用。通过这些实验揭示了单子叶植物交替氧化酶基因家族成员的差异性表达特性和其信号调节规律。本研究对光合组织在光照发育下交替氧化酶的运行规律和信号调节机制进行了初步的探索。通过实验发现,在植物初期转绿过程中,光照可以直接刺激交替氧化酶的基因表达和交替途径的运行,而提升的交替途径参与了叶绿体的发育和增殖。随着光合组织在光照下的进一步生长,交替氧化酶基因的表达丰度和交替途径的运行水平也进一步上升,而交替途径在光合组织中的角色也由促进叶绿体的发育转变为优化光合作用。这方面的研究对于进一步了解植物呼吸的生理学意义以及植物体内细胞器之间代谢途径的联系有着较为重要的参考价值。对逆境胁迫下交替途径运行的信号调节机制和生理学功能的研究表明,在低温胁迫下,交替途径不仅有助于光合组织叶绿体结构的稳定和维持,而且也有助于降低叶绿体在低温下活性氧的积累。在低温胁迫下,增加的交替途径的容量和编码交替氧化酶基因的表达受到过氧化氢主导的信号传递路径的调控,交替氧化酶在植物抗冻以及在过氧化氢诱导的植物获得性抗性中均扮演着重要的角色。在水分胁迫下,交替途径的容量和编码交替氧化酶基因的表达丰度被显著提升。活性氧参与了水分胁迫下交替途径的诱导,而增加的交替途径可以限制干旱下植物活性氧(包括过氧化氢和超氧阴离子)的增加。