拟南芥对SO2的转录响应及NO调节作用

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二氧化硫(SO2)作为常见的大气污染物之一,对植株产生多种生理影响。然而植株适应 SO2胁迫的机制尚不十分清楚。本文以模式植物拟南芥为材料,对 SO2胁迫下拟南芥基因表达谱、叶片组织中生化指标以及气孔运动等进行分析,从多个角度探究植物适应逆境的机制。  根据30 mg·m-3 SO2胁迫拟南芥72 h基因芯片检测结果,我们从拟南芥全基因组中共检出2780个与对照组间显著差异表达的基因,其中上调表达1109个,下调表达1671个。本研究中主要分析了参与硫代谢、活性氧生成-清除途径、NO合成途径和防御相关的差异表达基因。在 SO2胁迫拟南芥中,硫代谢途径中(氧化和同化途径)多个基因转录改变,活性氧生成和清除途径、NO合成途径中的相关基因转录上调;热激蛋白、腈水解酶、脂质转运蛋白、细胞色素P450等与防御相关的基因转录水平提高。生长素、赤霉素、油菜素内酯、乙烯等激素信号转导途径的关键基因转录上调。  拟南芥植株暴露于30 mg·m-3 SO2后,叶组织中NO水平升高,硝酸还原酶活性随着熏气时间的延长而增强,72 h熏气组较对照组酶活性升高2.17倍。但加入硝酸还原酶抑制剂叠氮化钠(NaN3)后,胞内 NO水平和硝酸还原酶活性均显著降低。硝酸还原酶途径中3个关键基因Nia1、Nia2和NiR1的转录水平在SO2胁迫72 h后转录上调,该结果证实在植株适应 SO2胁迫的过程中,硝酸还原酶可以介导 NO水平升高。  植株适应30 mg·m-3 SO2胁迫中,胞内过氧化氢和脯氨酸含量会显著升高,但加入 NaN3后,过氧化氢和脯氨酸水平随之降低。利用 RT-PCR分析野生型和突变体nia1nia2拟南芥植株中CYP81D1、GSTU24、CAT3、CAD8等防御基因的转录水平,发现突变体中上述防御基因的转录水平低于野生型。  采用信号转导模式实验系统-气孔保卫细胞,研究SO2衍生物(Na2SO3-NaHSO3混合液,3:1,mmol·L-1)对拟南芥野生型和突变体 nia1nia2植株气孔运动的影响。研究发现,拟南芥植株表皮气孔开度随着 SO2浓度的升高而显著减小;200 U·mL-1过氧化氢酶( CAT)、1 mM抗坏血酸(ASA)和0.1 mM促分裂原激活蛋白激酶(MAPK)抑制剂PD98059能显著缓解由10μM SO2衍生物诱导的拟南芥气孔关闭,表明活性氧和MAPK均参与调节SO2胁迫生理中拟南芥气孔运动;0.1 mM氯化镧(LaCl3)和1 mM乙二醇二乙醚二胺四乙酸(EGTA)能显著缓解由10μM SO2衍生物诱导的拟南芥气孔关闭,表明SO2诱导气孔关闭与胞内Ca2+升高有关。0.2 mM NO清除剂(c-PTIO)和25μM NO合酶抑制剂(L-NAME)能够显著缓解由10μM SO2衍生物诱导的野生型和突变体 nia1nia2气孔关闭;但是0.1 mM钨酸钠只能缓解由10μM SO2衍生物诱导的野生型气孔关闭而不能缓解 SO2衍生物引发的突变体nia1nia2气孔关闭。结果表明NO生成参与SO2诱导的植株气孔运动,且SO2诱导的NO合成主要来源于硝酸还原酶途径和NO合酶途径。  本研究表明,SO2胁迫诱导拟南芥细胞内硫代谢、活性氧生成-清除途径、NO合成途径及其与胁迫响应相关基因转录水平改变,从转录水平显示了植株对环境胁迫的适应性增强。同时拟南芥植株适应 SO2胁迫中合成的 NO参与调控保卫细胞的气孔运动以及CYP81D1、GSTU24、CAT3、CAD8防御基因的转录表达。
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