蔗糖和一氧化氮对植物缺铁响应的调控作用及其机制

发布时间：2017-03-23 13:24

  本文关键词：蔗糖和一氧化氮对植物缺铁响应的调控作用及其机制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铁是植物必需的微量元素。虽然铁是地壳中的第四大丰富元素,但在通气性良好的碱性或石灰性土壤中,由于铁的有效性低常常难以满足植物正常生长发育的需要。据统计,全球约有40%耕地土壤存在不同程度的缺铁胁迫,缺铁已成为农业生产中限制作物产量和品质的主要因素之一。植物在长期进化过程中,形成了一系列耐缺铁胁迫的响应机制,并受多种信号分子和多个转录因子在多个水平上复杂的调控。近年来,尽管国内外关于植物吸收铁的分子生理机制方面已有大量的研究报道,但对植物耐缺铁响应的信号调控过程及其机制的了解仍然较为薄弱。为此,本论文以拟南芥和矮生番茄为材料,首先利用RNA-Seq(转录组测序)技术在基因组水平上分析缺铁胁迫诱导的基因表达变化,筛选了可能参与调控植物耐缺铁响应的因子,进而运用生理学、遗传学和分子生物学等手段,研究了这些因子在植物耐缺铁响应调控和铁吸收利用中的作用机制。取得的主要结果如下：1.以拟南芥为材料,采用RNA-Seq技术,研究了缺铁胁迫下基因表达的变化。结果表明,与正常供铁相比,缺铁条件下共有316个基因表达受到显著影响,其中232个基因表达受缺铁诱导,84个基因表达受缺铁抑制。通过GO(基因本体)生物学过程分析,发现这些差异表达的基因涉及植物激素信号转导、离子稳态平衡、碳水化合物代谢、次生代谢、细胞壁合成与修饰、防御响应等多个生理过程。缺铁条件下多个与铁吸收转运相关基因如IRT1,FRO2,OPT3、NAS1的表达以及调控这些基因表达的bHLH转录因子等均受缺铁胁迫的显著诱导,这对于增强缺铁胁迫下植物对铁的吸收和利用能力具有重要作用。此外,缺铁还显著调控了许多与缺铁响应相关的乙烯的合成及其信号转导、生长素的信号转导途径中基因的表达,暗示激素信号分子可能在调控植物耐缺铁响应中扮演了重要角色。耐人寻味的是,参与碳水化合物代谢和转运以及细胞壁合成和修饰的基因表达也受缺铁胁迫的显著调控。其中,缺铁胁迫增强蔗糖的转运可能对生长素的信号转导过程产生影响,进而调控根系对铁的吸收；而细胞壁合成与修饰可能会对根系质外体铁的再利用产生影响。2.以野生型、糖转运缺失、糖转运过表达转基因植株和生长素转运突变体的拟南芥为材料,研究了缺铁条件下蔗糖对植物耐缺铁响应的调控作用及其机制。结果显示,缺铁处理增加了拟南芥根中蔗糖的含量。外源添加蔗糖处理促进了缺铁诱导的高铁还原酶(FCR)活性,同时增加了缺铁根中铁吸收相关基因FRO2、IRT1和FIT的表达,遮光处理则逆转了上述过程。在缺铁条件下,蔗糖高积累的转基因植株35S::SUC2根中FCR活性和铁吸收相关基因的表达均显著高于野生型植株,而蔗糖低积累突变体suc2-5的上述缺铁响应显著低于野生型植株,表明耐缺铁能力在35S::SUC2转基因植株中得到增强,而在suc2-5突变体中明显减弱。此外,外源添加蔗糖处理也增强了缺铁的DR5-GUS转基因植株根中GUS的活性,但外源添加蔗糖处理却无法增强生长素运输突变体auxl-7和pinl-1植株中FCR活性和铁吸收相关基因的表达；外源添加生长素极性运输抑制剂则显著抑制了缺铁野生型植物中蔗糖诱导的耐缺铁响应。可见,缺铁胁迫诱导根系积累的蔗糖作为生长素的上游信号分子,通过增强FCR活性以及铁吸收相关基因的表达提高植物对缺铁胁迫的耐性。3.转录组测序结果表明,细胞壁合成与修饰的调控可能影响根质外体铁的再利用过程,我们实验室前期研究发现缺铁胁迫显著诱导NO的生成。但NO对细胞壁合成的调控作用及其与植物耐缺铁响应的关系尚不清楚。为此,本试验以矮生番茄(Solanum lycopersicum)为材料,研究了缺铁胁迫诱导产生的NO对根系细胞壁组成和化学性质的影响及其与根系质外体铁再利用之间的关系。结果表明,缺铁显著促进了NO在番茄根中的生成。外源添加NO清除剂(cPTIO)显著降低根系质外体铁含量,而NO供体(GSNO)则增加了缺铁根中质外体铁的含量,进而降低了木质部汁液中铁的含量,表明GSNO处理虽可显著增加根中铁含量,但降低了地上部的铁含量。此外,外源GSNO处理显著增强了果胶甲酯酶的活性,同时降低了细胞壁果胶甲酯化程度,从而增强了细胞壁与铁的结合能力,最终增加了铁在果胶中的积累。可见,缺铁胁迫诱导产生的NO通过降低细胞壁果胶甲基酯化程度,增加了铁在根质外体中的固持,进而抑制铁向地上部的运输。
【关键词】：缺铁 转录组 蔗糖 一氧化氮 信号转导 细胞壁 质外体
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q945
【目录】：

• 致谢7-12
• 摘要12-14
• Abstract14-17
• 第1章 文献综述17-45
• 1.1 铁吸收机制17-22
• 1.2 铁在植物体内的长矩离运输22-26
• 1.3 植物细胞内铁的运输26-28
• 1.3.1 叶绿体内铁的转运26-27
• 1.3.2 线粒体内铁的转运27-28
• 1.4 植物体内铁的储存和再利用28-32
• 1.4.1 根系质外体铁的再利用28-29
• 1.4.2 液泡中铁的再利用29-32
• 1.5 植物缺铁信号转导及其调控机制32-44
• 1.5.1 植物缺铁信号来源32-34
• 1.5.2 缺铁响应的转录因子调控过程34-37
• 1.5.3 缺铁响应的化学信号分子调控过程37-44
• 1.6 小结44-45
• 第2章：问题提出、技术路线和拟解决问题45-48
• 2.1 问题提出45-47
• 2.2 技术路线47
• 2.3 拟解决的问题47-48
• 第3章 拟南芥对缺铁胁迫响应的基因表达谱解析48-67
• 3.1 引言48-49
• 3.2 材料与方法49-50
• 3.2.1 供试材料与培养条件49
• 3.2.2 样品制备和测序49
• 3.2.3 数据分析49-50
• 3.3 结果与分析50-63
• 3.3.1 拟南芥缺铁表型及生长50-51
• 3.3.2 拟南芥根系缺铁诱导表达基因富集分析51-63
• 3.4 讨论63-67
• 第4章 缺铁诱导积累的蔗糖对植物耐缺铁响应的调控作用67-91
• 4.1 引言67-68
• 4.2 材料与方法68-71
• 4.2.1 供试材料与培养条件68-69
• 4.2.2 根高铁还原酶活性的测定69
• 4.2.3 基因表达分析69
• 4.2.4 糖含量分析69-70
• 4.2.5 铁含量测定70
• 4.2.6 叶绿素含量测定和β-Glucuronidase(GUS)染色分析70
• 4.2.7 数据分析70-71
• 4.3 结果与分析71-86
• 4.3.1 缺铁对根中蔗糖含量的影响及外源蔗糖处理对耐缺铁响应的增强作用71-74
• 4.3.2 遮光处理或蔗糖转运基因SUC2突变对耐缺铁响应的抑制作用74-77
• 4.3.3 SUC2过表达对耐缺铁响应的增强作用77-78
• 4.3.4 蔗糖对植物缺铁耐性的调控78-81
• 4.3.5 FIT转录因子在蔗糖调控植物耐缺铁响应中的作用81-83
• 4.3.6 蔗糖对植物耐缺铁响应的调控依赖于生长素信号转导过程83-86
• 4.4 讨论86-91
• 第5章 缺铁诱导产生的NO对番茄根系质外体铁利用的影响及其机理91-110
• 5.1 引言91-92
• 5.2 材料与方法92-96
• 5.2.1 供试材料与培养条件92
• 5.2.2 NO含量原位测定92
• 5.2.3 细胞壁组分提取和多糖含量测定92-93
• 5.2.4 铁含量测定93-94
• 5.2.5 质外体铁含量测定94
• 5.2.6 木质部汁液收集及铁含量测定94
• 5.2.7 细胞壁吸附解析动力学94-95
• 5.2.8 果胶甲酯酶活性测定95
• 5.2.9 果胶甲酯化程度测定95-96
• 5.2.10 数据分析96
• 5.3 结果与分析96-105
• 5.3.1 缺铁对NO生成的影响96-97
• 5.3.2 外源NO供体或清除剂处理对根系质外体铁含量的影响97-98
• 5.3.3 外源NO供体处理对植物铁稳态平衡的影响98-99
• 5.3.4 外源NO供体处理对细胞壁中铁含量的影响99-101
• 5.3.5 外源NO处理对根细胞壁合成及其对铁吸附解析能力的影响101-105
• 5.4 讨论105-110
• 5.4.1 NO增加缺铁根系中质外体铁的积累105-107
• 5.4.2 不同铁营养条件下NO影响根质外体铁积累的可能机制107-108
• 5.4.3 果胶中铁含量的增加与果胶甲酯化程度降低有关108-110
• 第6章 全文总结110-112
• 6.1 主要研究结论110
• 6.2 主要创新点110
• 6.3 研究展望110-112
• 参考文献112-130
• 攻读博士学位期间主要成果130

  本文关键词：蔗糖和一氧化氮对植物缺铁响应的调控作用及其机制，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：263841