茉莉酸、磷脂酶Dδ及G蛋白在拟南芥响应干旱胁迫中的作用及关系

论文摘要

干旱胁迫对植物的生长发育、物质代谢、信号传递、抗氧化酶系等都有非常重要的影响,它使得植物细胞中内源激素茉莉酸（Jasmonic acid,JA）等大量积累,从而提高植物对干旱胁迫的适应性和耐受性。JA与各种信号分子之间的作用关系非常复杂,了解各种信号分子之间的作用关系有助于我们更好地理解生物响应干旱胁迫的机理,也能为增强农作物的抗旱能力、提高农业生产提供理论依据。JA可以诱导多种细胞发育反应,与多种信号分子相互作用,信号网络复杂。脂氧合酶（Lipoxygenase,LOX）是JA生物合成过程中的第一个关键酶,分为9-LOX和13-LOX,其中13-LOX被广泛认为参与JA生物合成,但是9-LOX是否参与该过程仍不清楚。磷脂酶D（Phospholipasee D,PLD）是催化磷脂分子中磷酸二酯键水解以及碱基交换反应的一类酶的总称,其水解产物磷脂酸（Phosphatidic acid,PA）被认为是植物细胞中的第二信使,故PLD也被认为是一种重要的信号酶。拟南芥中有12种基因编码PLD,由于分子结构的差异性,这12种基因在调控植物生长发育及信号转递的过程中分别发挥了不同的作用,其中PLDδ能被高盐和脱水快速激活。已有研究表明,PLDα1和PA参与JA的生物合成过程,那么PLDδ是否也具有和PLDα1相似的作用,在响应干旱胁迫的过程中参与JA的生物合成,与此相关的文献尚未见报道。G蛋白参与多种生物及非生物胁迫信号通路。Gα亚基是G蛋白的功能亚基,能与PLDδ上的DRY基序结合并反应。Gα亚基在调节JA诱导基因的表达中起作用,JA也可能直接作为配体在拟南芥G蛋白信号中起作用。但是,关于干旱胁迫下G蛋白在JA调控的信号中的作用也不明确。因此,我们以拟南芥哥伦比亚野生型（WT）、GPA1缺失型突变体（gpa1-4）、磷脂酶Dδ（PLDδ）缺失型突变体（pldδ）以及脂氧合酶（9-LOX）缺失型突变体（lox1和lox5）种子及实生苗为实验材料,以0.3 mol·L-1甘露醇模拟和传统的土壤缺水法相互结合进行干旱胁迫处理,研究了干旱胁迫下PLDδ和9-LOX参与JA生物合成过程的作用,以及JA、G蛋白与PLDδ的信号传导关系,了解分析它们参与植物抗旱性的作用,旨在阐明干旱胁迫下JA、G蛋白与PLDδ的作用机制和信号响应传导途径。所得实验结果如下:1.干旱胁迫使得PLD和LOX酶活性,PLDδ和LOX1基因表达显著提高;干旱胁迫下,pldδ突变体幼苗的LOX活性和JA含量显著低于WT,外施PA后LOX活性和JA含量显著上升,并高于WT;干旱胁迫显著抑制pldδ、lox1和lox5突变体的种子萌发,其中对lox1的抑制效果最为明显;干旱胁迫下外施PA促进WT、pldδ和lox1的种子萌发,但对lox5没有显著影响;干旱胁迫下外施JA能促进WT和pldδ的种子萌发,但不能促进lox1和lox5的种子萌发。研究表明:干旱胁迫下PLD活性上升与PLDδ基因表达上调有关,LOX活性上升与LOX1和LOX5基因表达上调有关,其中LOX1基因起主要作用;PLDδ/PA位于9-LOX上游参与9-LOX诱导的JA合成过程;PLDδ,LOX1和LOX5基因均参与干旱胁迫下拟南芥的种子萌发,其中LOX1在此过程中作用最为明显;PLDδ和9-LOX均参与了PA和JA介导的种子萌发过程。2.JA通过调节GPA1来影响PLD活性和PLDδ基因的表达;GPA1参与外源MeJA对种子萌发的调控作用,GPA1和PLDδ不参与内源JA对种子萌发的调控作用;外源MeJA降低了WT中的MDA含量和REC水平,并增加了gpa1-4和pldδ两种突变体中的MDA含量和REC水平,JA合成抑制剂对MDA含量和REC水平没有显著影响;干旱胁迫使得WT、gpa1-4和pldδ的气孔密度显著增加、气孔开度显著减小,外施MeJA使得WT、gpa1-4和pldδ的气孔密度显著减少、对WT和gpa1-4的气孔开度无显著影响,但使得pldδ的气孔开度显著减小;干旱胁迫下,WT中干旱响应基因RD29A的基因表达量显著高于pldδ,外施MeJA后,WT和pldδ中RD29A的基因表达量均显著上调。研究表明:干旱胁迫下,JA对PLD活性以及PLDδ基因表达的调节具有浓度依赖性,且G蛋白也参与此调节过程;GPA1和PLDδ参与JA对种子萌发的调控过程;GPA1和PLDδ在MeJA对细胞膜的保护中发挥作用;MeJA能够通过降低气孔密度和减小气孔开度来增加植物的耐旱性,并推测此过程的调节依赖于G蛋白;pldδ突变体植株不耐旱的原因之一是响应干旱胁迫的基因RD29A的表达量不高,外施MeJA能够上调RD29A基因表达,增加植物的耐旱性。

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Abstract

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第1章文献综述

1.1 茉莉酸的生理功能和作用

1.1.1 茉莉酸

1.1.2 茉莉酸的生物合成

1.1.3 茉莉酸在植物生长和发育过程中的作用

1.1.4 茉莉酸参与干旱胁迫应答

1.1.5 茉莉酸盐与其他植物激素在响应非生物胁迫下的相互作用

1.2 植物磷脂酶D的生理功能和作用

1.2.1 磷脂酶D的分类及其结构特点

1.2.2 磷脂酶D参与的信号转导

1.3 植物异三聚体G蛋白的生理功能和作用

1.3.1 植物G蛋白的结构和功能

1.3.2 植物G蛋白参与的信号转导途径

1.4 研究目的及意义

1.5 技术路线

第2章材料与方法

2.1 实验材料与处理

2.1.1 实验材料

2.1.2 胁迫处理

2.2 实验方法

2.2.1 纯合突变体筛选

2.2.2 PLD活性测定

2.2.3 JA含量的测定

2.2.4 G蛋白含量的测定

2.2.5 植物总RNA提取和RT-qPCR检测

2.2.6 LOX活性的测定

2.2.7 种子萌发率的测定

2.2.8 丙二醛（MDA）含量测定

2.2.9 相对电导率的测定

2.2.10 气孔密度和开度的测定

2.2.11 主要实验仪器及药品

2.2.12 数据处理

第3章结果与分析

3.1 干旱胁迫下PLDδ和9-LOX对茉莉酸生物合成及种子萌发的影响

3.1.1 拟南芥纯合突变体的筛选

3.1.2 不同程度干旱胁迫对PLD活性和LOX活性的影响

3.1.3 干旱胁迫对PLD活性和LOX活性的影响

3.1.4 干旱胁迫对PLD和LOX基因相对表达量的影响

3.1.5 干旱胁迫下PLDδ基因缺失对LOX酶活性的影响

3.1.6 干旱胁迫下外源PA对 LOX活性的影响

3.1.7 干旱胁迫下PLDδ基因缺失及外源PA对 JA含量的影响

3.1.8 干旱胁迫下LOX1和LOX5 基因缺失及外源PA对 JA含量的影响

3.1.9 干旱胁迫对WT、pldδ、lox1及lox5 种子萌发率的影响

3.1.10 讨论

3.2 JA、G蛋白与PLDδ响应干旱胁迫的作用及关系

3.2.1 干旱胁迫对拟南芥G蛋白含量的影响

3.2.2 茉莉酸合成抑制剂IBU和 SHAM对内源茉莉酸含量的影响

3.2.3 干旱胁迫下JA对PLD活性及PLDδ基因表达的影响

3.2.4 干旱胁迫下JA对WT、gpa1-4和pldδ种子萌发的影响

3.2.5 干旱胁迫下JA对MDA含量的影响

3.2.6 干旱胁迫下JA对相对电导率的影响

3.2.7 干旱胁迫下外施MeJA对拟南芥耐旱性的影响

3.2.8 干旱胁迫下外施MeJA对拟南芥气孔的影响

3.2.9 干旱胁迫下外施MeJA对WT和pldδRD29A基因相对表达量的影响

3.2.10 讨论

第4章结论与展望

4.1 主要结论

4.1.1 干旱胁迫下PLDδ和9-LOX影响茉莉酸生物合成及种子萌发

4.1.2 JA、G蛋白与PLDδ响应干旱胁迫的作用及关系

4.2 问题与展望

参考文献

攻读硕士研究生期间取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈璐

导师: 杨宁

关键词: 干旱胁迫,茉莉酸,磷脂酶,蛋白,信号关系

来源: 西北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 西北师范大学

分类号: Q945.78

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茉莉酸、磷脂酶Dδ及G蛋白在拟南芥响应干旱胁迫中的作用及关系

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