拟南芥、羊草根响应低Ca 2+ 环境的生理、细胞和分子机制研究
发布时间：2020-12-05 20:49
钙(Ca2+)是植物体生长发育必需的矿质营养元素,参与组成细胞壁及细胞膜的结构;同时又是细胞内的重要第二信使,参与各类外界环境刺激诱导的信号通路。但近年来的生态证据表明,酸雨等使得土壤表面植物可利用的Ca2+含量减少,植物生理性缺Ca2+现象普遍存在,而缺Ca2+会导致植物多样性下降、植物对外界环境压力的适应能力下降。但是缺Ca2+导致植物出现这些现象的生理、细胞和分子机制未知。本文首次对低Ca2+环境下拟南芥及羊草根细胞中的胞吞反应及细胞膜脂质代谢进行了研究,并将拟南芥及羊草根细胞中的脂质分子进行详细比较,深入分析了二者响应低Ca2+环境的生理、细胞和分子机制。本研究希望帮助人们了解Ca2+在维持植物细胞膜稳定性及选择性过程中的重要作用,并期望从细胞分子层面为拟南芥和羊草对低Ca2+环境响应的差异性提出科学的解释。具体的实验结果如下:1.低Ca2+特异性诱导拟南芥根细...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
植物体内的Ca2+信号通路模型[15]
简单来说,植物体内甘油酯的合成主要涉及以下三个部分:甘油骨架上的脂肪酸链合成;以PA为前体形成DAG及CDP-DAG;脂质分子极性头部的合成[34]。如图1.2,甘油3-磷酸酰基转移酶(glycerol 3-phosphate acyltransferase,GPAT)催化甘油-3-磷酸(glycerol 3-phosphate,G3P)形成LPA,后溶血磷脂酸-酰基转移酶(lysophosphatidate acyltransferase,LPAAT)催化LPA形成PA[34-35]。PA是甘油磷脂中结构最简单的磷脂类,同时也是合成其他甘油磷脂的前体。为了合成其他甘油磷脂,PA在磷脂酸磷酸酶(PA phosphatase,PAP)的催化作用下形成二酰甘油(diacylglycerol,DAG),PA在CDP-DAG合酶(CDP-DAG synthase,CDS)的催化作用下形成胞苷二磷酸-二酰甘油(cytidine diphosphate diacylglycerol,CDP-DAG)。其中DAG不仅会在氨基醇-氨基磷酸转移酶(aminoalcohol aminophosphotransferase,AAPT)的作用下形成PC及PE,而PE会在PS合酶(PS synthase,PSS)的催化作用下形成PS,相反的,PS会在PS脱羧酶(PS decarboxylase,PSD)的催化作用下反向形成PE,即PE和PS的形成是相互的;同时DAG通过磺基喹诺酮基二酰基甘油合酶2(sulfoquinovosyldiacyl 2,SQD2)的催化作用形成磺基喹诺酮基二酰基甘油(sulfoquinovosyldiacylglycerol,SQDG);同时DAG通过MDDG合酶(MGDG synthase,MGD)的催化作用下形成单半乳糖甘油二酯(monogalactosyldiacylglycerol,MGDG),随后MGDG在DGDG合酶(DGDG synthase,DGD)的催化作用下形成双半乳糖甘油二酯(digalactosyldiacylglycerol,DGDG)。CDP-DAG会在PI合酶(PI synthase,PIS)的催化作用下形成PI;同时CDP-DAG会在PGP合酶(PGP synthase,PGPS)的催化作用下形成磷脂酰甘油磷脂酸(phosphatidylglycerophosphate,PGP),后PGP会在PGP磷酸酶(PGP phosphatase,PGPP)的催化作用下形成PG,再然后在线粒体内膜上,PG会在心磷脂合酶(cardiolipin synthase,CLS)的催化作用下形成心磷脂(cardiolipin,CL)[34][36]。细胞膜上除了膜脂分子外,膜蛋白(membrane protein)也是细胞膜的一个重要组成成分,能够以不同的方式附着在磷脂双分子层上,与固醇等物质一起稳定着细胞膜结构。此外,它们的功能还包括物质转运、受体感受器、位制锚定、催化酶等,在维持细胞正常活性及影响细胞信号传递的过程中发挥重要作用[32][37]。膜蛋白亦不是静止的,而是处于时刻动态的过程中,如随着细胞膜的扩散,囊泡的运输及蛋白构象的相互转换等变化,也就是基于这种动态变化使得膜蛋白能够进行信号的传递及其他细胞水平上的调控等,进而调节植物对外界环境的适应,影响植物的生长发育等[38-39]。对细胞膜上膜蛋白的结构与功能的研究结果相比较整个蛋白质组学的数量来说还很少,但随着现代社会科研手段、科学方法及科研仪器的发展,很多膜蛋白的结构及功能在近年来也逐渐被解析。依赖于X-射线衍射、扫描电镜、核磁共振等仪器设备,近20年来科学家解析的蛋白结构数目基本呈现直线生长的趋势[37]。而在活体分子层面上,随着膜蛋白分子标记技术及生物分子成像技术的成熟,如小分子荧光染料、荧光蛋白等与荧光显微镜、激光共聚焦显微镜、超高分辨率显微镜、宽场显微技术等的联合应用,能够在纳米级的水平上对膜蛋白结构及功能进行分析[37][40][41]。基于细胞膜的结构特点,位于细胞膜上的膜蛋白与脂质分子之间相互作用,不仅能够影响着彼此的结构,而且能够调节彼此的功能。大量研究表明,膜蛋白的折叠、二级/三级结构、功能等都受所处脂质环境的影响,而且膜蛋白上都具有脂质分子结合的特异性位点[42-44]。
真核细胞通过胞吞(endocytosis)和胞吐(exocytosis)作用进行的跨膜物质运输要依赖于囊泡的形成、脱落、运动及与其他膜结构的融合。其中胞吞囊泡形成的第一步是细胞质膜的内陷,将外界物质包裹进入细胞。如图1.3所示,植物细胞内能够引起质膜内陷并进行胞吞作用的发生途径主要包括以下两种:1,网格蛋白介导的胞吞途径(clathrin-mediatedendocytosis),现有研究认为是生物体内胞吞发生的最主要途径,主要通过配体与膜上受体结合,使得网格蛋白被招募在细胞质膜下方,形成网格蛋白包被小窝,随后与GTP结合蛋白结合引起包被小窝颈部收缩,后包被小窝脱离质膜形成囊泡[52-53];2,细胞膜微区相关的胞吞途径(membrane microdomain-associated endocytisis),是借由细胞膜上富含鞘磷脂、胆固醇的纳米级微结构域-“脂筏微区”进行,通过脂筏结构蛋白(flotillin)介导细胞质膜内陷形成囊泡[52][54];有一些研究表明,当植物受到刺激后,细胞质膜上停驻的一些蛋白单体会聚集到一起形成簇,这些簇进入脂筏微区,通过微区相关的胞吞作用将蛋白转运至细胞内发生相应的生理变化,所以有研究也认为细胞膜微区是细胞响应外界环境刺激的一种重要手段[52]。随着细胞质膜内陷形成囊泡,囊泡以不同的介导方式从质膜上脱落进入细胞质内。如图1.4,随后囊泡会在细胞内进行运动,首先两种囊泡,包括受体介导形成的囊泡及网格蛋白包被小泡(CCV),在细胞内形成早期囊泡(early endosome);二者膜表面的受体脱落开始形成“部分包被网”(PCR,partially coated reticulum),期间与高尔基体相关的囊泡会形成高尔基体后期囊泡(post-golgi);随后细胞内的多个小囊泡聚合并被包裹进入PCR,形成“多囊泡小体”(MVB,multivesicular body);MVB与液泡膜融合成为液泡膜的一部分[55-57]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]羊草种质资源耐盐性评价[J]. 李倩,齐冬梅,李晓霞,陈双燕,杨伟光,郭秀芳,张庆分,刘辉,董晓兵,程丽琴,刘公社. 草学. 2019(04)
[2]羊草种质资源耐盐碱性综合评价[J]. 梁潇,侯向阳,王艳荣,任卫波,赵青山,王照兰,李怡,武自念. 中国草地学报. 2019(03)
[3]羊草的饲用价值和高产栽培技术[J]. 李吉龙. 现代畜牧科技. 2019(03)
[4]羊草种质资源抗旱性综合评价[J]. 李怡,侯向阳,武自念,任卫波,赵青山,梁潇. 中国草地学报. 2019(01)
[5]基于MaxEnt分析我国羊草分布区的生物气候特征[J]. 陈积山,刘杰淋,朱瑞芬,李佶恺,邸桂俐,张强,毛东杰,孔晓蕾. 草地学报. 2019(01)
[6]基于MaxEnt模型的羊草适生区预测及种质资源收集与保护[J]. 武自念,侯向阳,任卫波,王照兰,常春,杨玉平,杨艳婷. 草业学报. 2018(10)
[7]浅析羊草的生物学特性与饲用价值[J]. 王金凤. 现代畜牧科技. 2018(07)
[8]老芒麦种质资源耐盐性评价[J]. 德英,石凤翎,赵来喜,穆怀彬,解继红,赵海霞. 中国草地学报. 2017(06)
[9]不同盖度羊草地对水土流失的影响[J]. 李龙,郝明德,肖庆红,郭胜安,刘公社. 水土保持通报. 2016(02)
[10]羊草种质资源的评价与利用[J]. 刘公社,李晓霞,齐冬梅,陈双燕,程丽琴. 科学通报. 2016(02)
本文编号：2900070
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
植物体内的Ca2+信号通路模型[15]
简单来说,植物体内甘油酯的合成主要涉及以下三个部分:甘油骨架上的脂肪酸链合成;以PA为前体形成DAG及CDP-DAG;脂质分子极性头部的合成[34]。如图1.2,甘油3-磷酸酰基转移酶(glycerol 3-phosphate acyltransferase,GPAT)催化甘油-3-磷酸(glycerol 3-phosphate,G3P)形成LPA,后溶血磷脂酸-酰基转移酶(lysophosphatidate acyltransferase,LPAAT)催化LPA形成PA[34-35]。PA是甘油磷脂中结构最简单的磷脂类,同时也是合成其他甘油磷脂的前体。为了合成其他甘油磷脂,PA在磷脂酸磷酸酶(PA phosphatase,PAP)的催化作用下形成二酰甘油(diacylglycerol,DAG),PA在CDP-DAG合酶(CDP-DAG synthase,CDS)的催化作用下形成胞苷二磷酸-二酰甘油(cytidine diphosphate diacylglycerol,CDP-DAG)。其中DAG不仅会在氨基醇-氨基磷酸转移酶(aminoalcohol aminophosphotransferase,AAPT)的作用下形成PC及PE,而PE会在PS合酶(PS synthase,PSS)的催化作用下形成PS,相反的,PS会在PS脱羧酶(PS decarboxylase,PSD)的催化作用下反向形成PE,即PE和PS的形成是相互的;同时DAG通过磺基喹诺酮基二酰基甘油合酶2(sulfoquinovosyldiacyl 2,SQD2)的催化作用形成磺基喹诺酮基二酰基甘油(sulfoquinovosyldiacylglycerol,SQDG);同时DAG通过MDDG合酶(MGDG synthase,MGD)的催化作用下形成单半乳糖甘油二酯(monogalactosyldiacylglycerol,MGDG),随后MGDG在DGDG合酶(DGDG synthase,DGD)的催化作用下形成双半乳糖甘油二酯(digalactosyldiacylglycerol,DGDG)。CDP-DAG会在PI合酶(PI synthase,PIS)的催化作用下形成PI;同时CDP-DAG会在PGP合酶(PGP synthase,PGPS)的催化作用下形成磷脂酰甘油磷脂酸(phosphatidylglycerophosphate,PGP),后PGP会在PGP磷酸酶(PGP phosphatase,PGPP)的催化作用下形成PG,再然后在线粒体内膜上,PG会在心磷脂合酶(cardiolipin synthase,CLS)的催化作用下形成心磷脂(cardiolipin,CL)[34][36]。细胞膜上除了膜脂分子外,膜蛋白(membrane protein)也是细胞膜的一个重要组成成分,能够以不同的方式附着在磷脂双分子层上,与固醇等物质一起稳定着细胞膜结构。此外,它们的功能还包括物质转运、受体感受器、位制锚定、催化酶等,在维持细胞正常活性及影响细胞信号传递的过程中发挥重要作用[32][37]。膜蛋白亦不是静止的,而是处于时刻动态的过程中,如随着细胞膜的扩散,囊泡的运输及蛋白构象的相互转换等变化,也就是基于这种动态变化使得膜蛋白能够进行信号的传递及其他细胞水平上的调控等,进而调节植物对外界环境的适应,影响植物的生长发育等[38-39]。对细胞膜上膜蛋白的结构与功能的研究结果相比较整个蛋白质组学的数量来说还很少,但随着现代社会科研手段、科学方法及科研仪器的发展,很多膜蛋白的结构及功能在近年来也逐渐被解析。依赖于X-射线衍射、扫描电镜、核磁共振等仪器设备,近20年来科学家解析的蛋白结构数目基本呈现直线生长的趋势[37]。而在活体分子层面上,随着膜蛋白分子标记技术及生物分子成像技术的成熟,如小分子荧光染料、荧光蛋白等与荧光显微镜、激光共聚焦显微镜、超高分辨率显微镜、宽场显微技术等的联合应用,能够在纳米级的水平上对膜蛋白结构及功能进行分析[37][40][41]。基于细胞膜的结构特点,位于细胞膜上的膜蛋白与脂质分子之间相互作用,不仅能够影响着彼此的结构,而且能够调节彼此的功能。大量研究表明,膜蛋白的折叠、二级/三级结构、功能等都受所处脂质环境的影响,而且膜蛋白上都具有脂质分子结合的特异性位点[42-44]。
真核细胞通过胞吞(endocytosis)和胞吐(exocytosis)作用进行的跨膜物质运输要依赖于囊泡的形成、脱落、运动及与其他膜结构的融合。其中胞吞囊泡形成的第一步是细胞质膜的内陷,将外界物质包裹进入细胞。如图1.3所示,植物细胞内能够引起质膜内陷并进行胞吞作用的发生途径主要包括以下两种:1,网格蛋白介导的胞吞途径(clathrin-mediatedendocytosis),现有研究认为是生物体内胞吞发生的最主要途径,主要通过配体与膜上受体结合,使得网格蛋白被招募在细胞质膜下方,形成网格蛋白包被小窝,随后与GTP结合蛋白结合引起包被小窝颈部收缩,后包被小窝脱离质膜形成囊泡[52-53];2,细胞膜微区相关的胞吞途径(membrane microdomain-associated endocytisis),是借由细胞膜上富含鞘磷脂、胆固醇的纳米级微结构域-“脂筏微区”进行,通过脂筏结构蛋白(flotillin)介导细胞质膜内陷形成囊泡[52][54];有一些研究表明,当植物受到刺激后,细胞质膜上停驻的一些蛋白单体会聚集到一起形成簇,这些簇进入脂筏微区,通过微区相关的胞吞作用将蛋白转运至细胞内发生相应的生理变化,所以有研究也认为细胞膜微区是细胞响应外界环境刺激的一种重要手段[52]。随着细胞质膜内陷形成囊泡,囊泡以不同的介导方式从质膜上脱落进入细胞质内。如图1.4,随后囊泡会在细胞内进行运动,首先两种囊泡,包括受体介导形成的囊泡及网格蛋白包被小泡(CCV),在细胞内形成早期囊泡(early endosome);二者膜表面的受体脱落开始形成“部分包被网”(PCR,partially coated reticulum),期间与高尔基体相关的囊泡会形成高尔基体后期囊泡(post-golgi);随后细胞内的多个小囊泡聚合并被包裹进入PCR,形成“多囊泡小体”(MVB,multivesicular body);MVB与液泡膜融合成为液泡膜的一部分[55-57]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]羊草种质资源耐盐性评价[J]. 李倩,齐冬梅,李晓霞,陈双燕,杨伟光,郭秀芳,张庆分,刘辉,董晓兵,程丽琴,刘公社. 草学. 2019(04)
[2]羊草种质资源耐盐碱性综合评价[J]. 梁潇,侯向阳,王艳荣,任卫波,赵青山,王照兰,李怡,武自念. 中国草地学报. 2019(03)
[3]羊草的饲用价值和高产栽培技术[J]. 李吉龙. 现代畜牧科技. 2019(03)
[4]羊草种质资源抗旱性综合评价[J]. 李怡,侯向阳,武自念,任卫波,赵青山,梁潇. 中国草地学报. 2019(01)
[5]基于MaxEnt分析我国羊草分布区的生物气候特征[J]. 陈积山,刘杰淋,朱瑞芬,李佶恺,邸桂俐,张强,毛东杰,孔晓蕾. 草地学报. 2019(01)
[6]基于MaxEnt模型的羊草适生区预测及种质资源收集与保护[J]. 武自念,侯向阳,任卫波,王照兰,常春,杨玉平,杨艳婷. 草业学报. 2018(10)
[7]浅析羊草的生物学特性与饲用价值[J]. 王金凤. 现代畜牧科技. 2018(07)
[8]老芒麦种质资源耐盐性评价[J]. 德英,石凤翎,赵来喜,穆怀彬,解继红,赵海霞. 中国草地学报. 2017(06)
[9]不同盖度羊草地对水土流失的影响[J]. 李龙,郝明德,肖庆红,郭胜安,刘公社. 水土保持通报. 2016(02)
[10]羊草种质资源的评价与利用[J]. 刘公社,李晓霞,齐冬梅,陈双燕,程丽琴. 科学通报. 2016(02)
本文编号：2900070
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