铜胁迫下不同种群鸡眼草的生理响应及酸性转化酶分子机制研究

发布时间：2020-08-25 10:23

【摘要】：金属型植物是一类生长在重金属污染区、对重金属有抗性的特殊植物类群。该类植物在重金属污染环境的生物修复中具有潜在的应用价值。金属型植物生长的土壤一般比较贫瘠,氮、磷、有机质等的含量比较低,保水性比较差,但重金属含量却很高。该类植物在如此严酷的土壤环境中能正常生长、发育和繁殖,可能有其自身的适应性生理生化机制。鸡眼草是近年鉴定的一种兼性金属型植物。最近的研究表明,在重金属污染条件下,金属型植物的根系发达,根冠比大,而这种特征很可能是其适应重金属污染环境及利用环境中资源的基本对策。本文比较研究了铜胁迫下大冶铜绿山古矿遗址抗铜矿种群和武汉大学珞珈山非抗铜种群鸡眼草的营养生长差异及其光合作用和蔗糖代谢机制。同时克隆了矿区和非矿区种群的根系蔗糖代谢关键酶-酸性转化酶基因。采用实时荧光定量PCR方法比较了铜胁迫下矿区和非矿区鸡眼草根系酸性转化酶的基因表达水平。最后利用毕赤酵母表达系统比较了矿区和非矿区鸡眼草根系酸性转化酶重组蛋白的酶学性质。从实验结果得出如下结论： (1)铜胁迫下矿区和非矿区鸡眼草的生理响应差异铜处理之后,非矿区鸡眼草的根生物量,地上生物量和根系结构均受到明显的抑制,但是矿区种群在铜处理之后这些生理指标变化不明显,甚至有所上升。结果表明,植物根系对铜胁迫更为敏感。铜处理之后,非矿区种群鸡眼草的净光合速率受到明显抑制,但是矿区种群的略有下降,并且非矿区种群鸡眼草水分利用率略有上升,矿区种群鸡眼草的水分利用显著上升。铜胁迫下,矿区鸡眼草的净光合速率和水分利用率均高于非矿区种群的,这为植物在矿区高铜、水分易流失的高污染环境中的正常生长提供了物质(包括矿质、水分、有机物)和能量的保证,这也是其长期适应性进化的结果。(2)铜胁迫下矿区和非矿区鸡眼草植物蔗糖代谢机制差异铜处理之后,矿区鸡眼草根部的蔗糖含量显著升高,非矿区鸡眼草根部的蔗糖含量变化不大,并且矿区鸡眼草根部的蔗糖含量显著高于非矿区种群的,这样有利于矿区鸡眼草将更多的生物量分配至其根系。铜处理之后,矿区鸡眼草根部细胞壁转化酶和液泡转化酶活性均显著上升,但是非矿区鸡眼草根部的细胞壁转化酶和液泡转化酶活性却有所下降,矿区鸡眼草根部的细胞壁转化酶和液泡转化酶活性高于非矿区的。矿区鸡眼草根部细胞壁转化酶活性和液泡转化酶活性的增强促进了蔗糖从源叶到根的转运,而非矿区鸡眼草两个转化酶活性的下降限制了蔗糖的转运,使蔗糖积累在源叶中。 (3)矿区及非矿区鸡眼草根部酸性转化酶基因序列差异通过对两个种群鸡眼草根部酸性转化酶基因的全长序列克隆和测序,我们发现鸡眼草非矿区和矿区种群的液泡转化酶基因序列有99.53%的一致性,鸡眼草非矿区和矿区种群的细胞壁转化酶基因序列有98.76%的一致性序列。鸡眼草非矿区和矿区种群的液泡转化酶氨基酸序列有2个不同,鸡眼草非矿区和矿区种群的细胞壁转化酶氨基酸序列有3个不同。氨基酸序列的不同可能导致酶性质有所不同。 (4)铜胁迫下矿区及非矿区鸡眼草根部酸性转化酶基因的表达水平差异铜处理后,矿区鸡眼草根中的液泡转化酶和细胞壁转化酶基因表达量显著上升,非矿区的有所下降,并且矿区鸡眼草根中的液泡转化酶和细胞壁转化酶基因表达量显著高于非矿区的。鸡眼草根中的液泡转化酶和细胞壁转化酶基因表达量和它们的酶活性存在正相关。铜胁迫下矿区及非矿区种群鸡眼草根部酸性转化酶蛋白活性差异与酸性转化酶基因转录表达量不同存在一定关系。(5)两个种群鸡眼草根部酸性转化酶基因的毕赤酵母分泌表达将两个种群鸡眼草酸性转化酶成熟肽的编码序列连接到毕赤酵母穿梭载体pPICZa A,构建了重组表达载体pPICZaeNCWinv, pPICZaeCWinv, pPICZaeNCVinv和pPICZaeCVinV。通过电转化法,成功转入酵母宿主细胞X33,并在酵母宿主细胞中成功分泌表达,获得了四种具有生物活性的酸性转化酶。实验结果证明两个种群的液泡转化酶和细胞壁转化酶的最适pH和温度一致,且两个种群液泡转化酶和细胞壁转化酶的Km和Vmax值没有显著差异,说明两个种群的酸性转化酶的酶学性质并无本质差异。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X173

【参考文献】