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红树植物对重金属污染具有一定的耐性同时进化出自身的耐受机制。一些陆生植物的研究已表明几丁质酶在植物防御重金属胁迫反应中起着重要的作用,然而红树植物中几丁质酶的相关研究未见报道。
本文利用同源克隆和RACE技术,首次在红树植物中克隆出几丁质酶基因,用荧光实时定量PCR技术分析了红树植物几丁质酶基因在重金属胁迫下的表达模式,意在获得红树植物几丁质酶基因的序列,并分析其mRNA表达与红树植物抵抗重金属胁迫的关系。取得以下主要成果:
1.第一次克隆获得桐花树Ⅰ、Ⅲ型几丁质酶基因AcCHIⅠ(GeneBank:JQ029764)、AcCHIⅢ(GeneBank:JQ655771)、白骨壤Ⅲ型几丁质酶基因AmCHIⅢ(GeneBank:JQ655770)3个cDNA全长序列,它们分别和其它植物的Ⅰ、Ⅲ型几丁质酶基因具有70%左右的同源性;同时克隆出秋茄ClassⅠ、ClassⅡ、ClassⅢ三个基因的中间特异片段:KoCHIⅠ、KoCHIⅡ、KoCHIⅢ。
2.利用Real-timePCR技术分析了三种红树植物里的几丁质酶基因在不同组织中的表达情况,结果表明各个物种的几丁质酶基因在各自的不同组织中均有表达,但是存在组织差异,且几丁质酶基因组织差异表达特性在三个物种、6个不同基因中有所不同。
3.为了研究红树植物几丁质酶基因受重金属Cd、Pb、Cd-Pb复合污染诱导的表达特性,三种植物暴露于不同浓度的Cd、Pb、Cd-Pb复合污染,并测定在3d、7d、14d、28d时的相对mRNA表达量。结果显示各个基因对Cd、Pb、Cd-Pb污染有一定的应答关系,但是不同类型几丁质酶基因、不同重金属、不同组织之间的诱导表达模式有差异:
1)桐花树AcCHIⅠ表达在不同浓度重金属Cd、Pb、Cd-Pb复合处理不同时间时表现出了被诱导和被抑制的效应,根中AcCHIⅠ诱导作用主要发生在处理3d时。桐花树AcCHIⅠ表达在重金属Cd、Pb、Cd-Pb复合处理之后的3d时表现为根>叶,28d时则表现为叶>根。这说明在重金属胁迫的早期,根是AcCHIⅠ基因对重金属胁迫更为敏感的器官,而随着胁迫时间的增加,叶的敏感性更强。
2)所有处理条件下,白骨壤叶、茎中AmCHIⅢmRNA表达显著被诱导,并均在7d时达到各重金属处理浓度的峰值;三种重金属对白骨壤幼苗叶、茎中AmCHIⅢ的诱导强度:Pb>Cd>Pb-Cd复合。说明白骨壤叶、茎中AmCHIⅢ表达对Pb的敏感性更高,白骨壤AmCHIⅢ在参与pb2+解毒中发挥了更重要的作用。另外结果还表明AmCHIⅢ基因对重金属胁迫的响应中,早期胁迫时茎为比较敏感的器官。
3)KoCHIⅠ在Cd、Pb、Cd-Pb复合胁迫的秋茄叶中的表达普遍受到抑制,而根中KoCHIⅠ,叶、根中KoCHIⅡ、KocCHIⅢ表达普遍显著被诱导;Cd胁迫下根中KoCHIⅠ、叶中KoCHIⅡ、KoCHIⅢ在28d时达到表达峰值,其余处理均在7d或14d时达到表达峰值。另外,重金属Cd、Pb、Cd-Pb复合对根的诱导作用强于叶,说明这三个秋茄几丁质酶基因对重金属Cd2+、pb2+的响应中,根为较为敏感器官,它们在秋茄根组织抵抗重金属的反应中发挥了更大的作用;秋茄叶中KoCHIⅢ-KoCHIⅡ,及Pb、Cd-Pb处理下的KoCHIⅢ-KoCHIⅠ表现出正相关性,秋茄根中KoCHIⅢ-KoCHIⅡ、KoCHIⅢ-KoCHIⅠ、KoCHIⅡ-KoCHIⅠ之间呈现不同程度的正相关性,暗示它们之间存在协同效应或相类似的诱导机制。
4.为了研究红树植物体内几丁质酶表达和重金属胁迫的内在关系,分析了红树植物桐花树幼苗在不同浓度Cd胁迫7d时叶、根组织中H2O2、可溶性糖、ehitinase活性、MDA、叶绿素含量、AcCHIⅢ、AcCHIⅠ、AcMT2基因表达水平。结果显示桐花树叶中AcCHIⅢ、AcCHIⅠ表达和H2O2、几丁质酶活性呈负相关,和叶绿素、可溶性糖呈正相关,根中AcCHIⅠ、AcMT2的表达和H2O2、几丁质酶活性呈负相关。表明Cd胁迫下的桐花树幼苗AcCHIⅢ、AcCHIⅠ、AcMT2基因表达和体内H2O2的积累、几丁质酶活性增强,可溶性糖的堆积、叶绿素的下降关系密切,暗示了桐花树几丁质酶在抵抗Cd胁迫时的可能影响机制。
本研究结果为进一步研究红树植物几丁质酶的表达调控机理、结构、功能具有重要的科学参考价值。