两种植物在开花生热中线粒体炫（mitoflash）及其功能的对比研究

发布时间：2020-04-18 10:04

【摘要】：一些植物类群在开花繁育过程中,花部器官具有自主产热的现象。不同开花生热的植物类群,具有不同的生热调控模型。植物学家大量的研究证据表明,线粒体的能量代谢在开花生热现象的调控中起着较为重要的作用。“线粒体炫”是一个全新的反映线粒体能量代谢水平的“数字钟”,线粒体炫的发生频率可以反映细胞不同的生理状态。因此本研究首次将线粒体炫这一全新概念引入开花生热现象的研究中,以此更为深入地研究线粒体在开花生热中的能量代谢和调控机制。本研究以寒冷早春开花且具开花生热现象的植物玉兰(Magnolia denudata)(假生热调控类型)和炎热夏季开花且具开花生热现象的植物荷花(Nelumbo nucifera)(生热调控类型)为例,从细胞层面、线粒体能量代谢层面、调控机制层面揭示线粒体ROS和线粒体炫对开花生热的调控作用,通过对比两种不同生热调控模型的植物荷花和玉兰,更为全面地揭示线粒体在开花生热中的作用机制。本研究首先对玉兰和荷花进行红外成像,以进一步确定其生热部位。其次,本研究对玉兰生热前后雌蕊组织的细胞壁和表皮进行扫描,以探究玉兰在生热前后细胞壁成分及细胞形态的变化。同时,本研究从玉兰和荷花生热及非生热时期的雌蕊和花被片组织中分离具有高活性的线粒体,分别对线粒体和线粒体ROS进行荧光标记,以探究ROS产生部位及生热前后ROS含量的变化。而后,本研究通过对线粒体ROS和线粒体膜电位进行荧光标记,以探究玉兰和荷花线粒体在生热前后线粒体炫的发生频率和膜电位震荡频率的变化趋势。此外,本研究通过分析玉兰和荷花雌蕊和花被片组织在生热前后呼吸途径的变化及抗氧化酶活性的变化,以探究玉兰和荷花生热时期的呼吸途径,及ROS所调控的信号通路,最终浅析线粒体在玉兰和荷花生热过程中的调控机制。本研究主要结果如下:一、玉兰和荷花的红外成像显示,玉兰的生热时期为雌蕊期和雄蕊期,生热的部位为雌蕊组织(柱头和柱状花托),荷花的生热时期为大花蕾期至盛花期(stage 1-3),生热的部位为雌蕊组织(柱头和花托)。二、玉兰雌蕊和雌蕊组织细胞壁的木质素和纤维素含量在生热的雌蕊期较非生热的花蕾期有显著水平的下降,推断为生热时期伴随着细胞壁木质素和纤维素成分的分解。同样,玉兰生热的雌蕊期,雌蕊表皮细胞乳突状细胞数量增多,且雌蕊表皮细胞形态变为圆形且肿胀,有较大的细胞缝隙。三、玉兰和荷花线粒体和ROS荧光标记的结果显示,线粒体即为ROS产生的主要部位,且玉兰和荷花在生热时期雌蕊线粒体ROS的含量显著的高于非生热时期和非生热部位。四、玉兰和荷花生热时期雌蕊组织中线粒体炫发生的频率显著高于非生热时期和非生热部位,且玉兰整个开花进程中,线粒体炫发生的频率在“大花芽时期”有显著的升高。五、玉兰和荷花生热时期雌蕊组织中线粒体膜电位震荡的频率显著高于非生热时期和非生热部位,且玉兰整个开花进程中,线粒体膜电位震荡的频率在大花芽时期有显著的升高。六、玉兰和荷花生热时期雌蕊组织中线粒体AOX途径的耗氧量显著升高,且玉兰和荷花雌蕊在生热时期过氧化氢酶(CAT)的活性显著升高,但其他抗氧化酶活性却显著低于非生热时期及非生热部位。本研究的结论为玉兰和荷花线粒体ROS、线粒体炫的发生频率和线粒体膜电位震荡频率在生热时期的雌蕊组织中有显著升高,且线粒体AOX呼吸途径的耗氧量在玉兰和荷花生热时期的雌蕊组织显著升高。与ROS所调控信号通路相关的抗氧化酶的活性,在生热时期也有显著的变化,且玉兰和荷花的变化趋势并不十分一致,推断可能为不同生热调控模型的差异。本研究结果显示,在玉兰和荷花开花生热过程中,雌蕊线粒体ROS含量上升,且线粒体炫的发生频率和线粒体膜电位震荡频率显著高于非生热时期,线粒体ROS和线粒体炫频率的升高作为细胞生理代谢过程的信号分子,调控细胞内的抗氧化途径和能量耗散通路,进而调控线粒体用于产热的AOX呼吸途径耗氧量的升高,以此调控开花生热过程。综上所述,本研究从细胞层面、能量代谢层面和调控机制层面揭示了线粒体炫在玉兰和荷花开花生热现象中的调控机制。
【图文】：

对比图,荷花,大花,小花

３：盛花期，（ｅ）邋ｓｔａｇｅ邋４：调零期。逡逑ｎｎ邋Ｑ逡逑图２－３荷花生热前后红外成像对比图逡逑Ｆｉｇ邋２－３邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｉｎｆｒａｒｅｄ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋Ｎｅｌｕｍｂｏ邋ｎｕｃｉｆｅｒａ邋ｉｎ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ａｎｄ邋ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌ逡逑ｓｔａｇｅｓ逡逑２３逦ｔ逡逑

雌蕊,玉兰,细胞壁,花蕾期

逦两种植物在开花生热中线粒体炫（ｍｉｔｏｆｌａｓｈ）及其功能的对比研究逦逡逑２．邋２．邋２玉兰雌蕊细胞壁成分析逡逑玉兰花蕾期细胞壁荧光扫描图显示（图２－４邋Ａ），花蕾期木质素荧光强度高于逡逑雌蕊期，且１６００邋ｃｎｆ１处花蕾期木质素峰值显著高于雌蕊期，，通过花蕾期与雌蕊逡逑期细胞壁木质素荧光强度比较，亦可见花蕾期细胞壁木质素含量显著高于雌蕊逡逑期。逡逑Ｒ
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q945

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