AOX和UCP在植物开花生热中的功能解析

论文摘要

植物开花生热(Thermogenesis)是指某些植物类群在开花过程中,花部器官短时间内释放大量热能的现象。该现象具有多样的生物学功能,其不仅能够使花部温度高于周围环境温度,促进花香释放进而吸引昆虫访花,并且可以保证其生殖发育的顺利进行,提高种子结实率。前人研究表明,交替氧化酶(Alternativeoxidase,AOX)与解偶联蛋白(Uncoupling proteins,UCP)很可能参与开花生热调控,然而其具体机制尚不明确。因此,探究植物主动生热及其调控机制,对于揭示开花生热植物如何调节环境适应性以及促进种群繁衍具有重要的理论价值和指导意义。本研究以两种不同生热模式的开花生热植物玉兰和荷花为研究材料。首先对荷花与玉兰中AOX与UCP蛋白进行三级结构、系统进化和保守结构域分析。结果显示AOX蛋白在动植物进化过程中产生了明显的差异,UCP蛋白在动植物中较保守,具有十分相似的蛋白结构域。其次,针对“生热调控型”荷花,通过高分辨红外热成像技术对荷花开花进程温度的检测,进一步准确定位荷花生热部位为花托表皮,生热高峰发生在雌蕊期前期、雌蕊期以及雄蕊期三个阶段。本研究发现,荷花在开花生热过程中,同时伴随着二次开合现象,即荷花花被片可随着不同生热进程进行临时闭合和再次开放。进一步采用扫描电镜等对荷花二次开合前后的细胞形态学进行观测,发现关键生热组织的细胞形态结构以及气孔分布均发生了明显变化。此外,采用Western Blot技术对生热期间的线粒体蛋白表达进行研究,结果表明荷花生热高峰阶段的花托表皮组织相较非生热阶段,AOX蛋白显著表达,而UCP蛋白无表达差异。与此同时,本研究针对“假生热调控型”玉兰,采用高分辨红外热成像技术,对玉兰开花进程进行活体监测成像,发现生热部位为雌蕊群,并且两个生热高峰期分别出现在雌蕊期和雄蕊期。进一步运用Western Blot技术对玉兰开花生热中的蛋白表达差异进行检测,结果显示玉兰生热时AOX与UCP蛋白均发生明显变化,其中柱头部位AOX蛋白在生热高峰期显著表达。在蛋白表达研究的基础上,利用高效液相色谱技术对玉兰线粒体代谢重要中间产物—柠檬酸含量进行检测,结果显示玉兰生热高峰阶段柠檬酸含量相比非生热时期显著增加。通过扫描电镜对玉兰柱头表皮组织在生热与非生热时期成像,结果显示生热组织在生热高峰阶段形成明显的细胞间隙。综上所述,本研究得到如下结论:(1)在生热植物荷花与玉兰中,AOX蛋白结构与非生热植物拟南芥等存在一定的差异,UCP蛋白结构较保守。(2)在荷花开花生热中,花部器官的二次开合现象与生热机制相契合,共同促进了荷花生殖发育的顺利进行。在花被片二次开合前后,荷花关键生热组织细胞产生明显细胞间隙以及形成高密度气孔并伴随着细胞凸起,以此保障植物维持足够的氧气,增加内外气体交换,促进昆虫访花和维持植物正常的生命活动。蛋白表达检测结果表明,AOX蛋白可能在荷花开花生热高峰阶段发挥主导作用。(3)玉兰在开花生热中伴随着花香的大量释放,本研究发现,玉兰在生热高峰期存在柠檬酸的大量积累,由于柠檬酸作为花香成分合成的重要底物,并为挥发性有机化合物的生物合成提供代谢底物。结合蛋白表达结果,柠檬酸大量积累很可能引起AOX蛋白显著表达,通过AOX的调控作用促进了玉兰开花生热中花香的大量释放。并且,生热高峰阶段,柱头表皮组织细胞形态以及细胞间隙的扩大变化,进一步加强了生热期间组织细胞内外的气体交换,进而促进了昆虫访花,保障生殖发育的顺利进行。本研究从生物信息学、植物生理学、细胞生物学、生物化学等多层面对植物开花生热现象进行深入的剖析,为进一步阐释植物开花生热机制提供了新的思路,为准确理解植物生命活动中的能量调节提供必要的理论参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 英文缩写符号及中英文对照表
• 1 引言
•   1.1 植物开花生热
•     1.1.1 开花生热的发现
•     1.1.2 开花生热的表型
•     1.1.3 开花生热的生物学功能
•     1.1.4 开花生热的调控机制
•   1.2 本论文的研究目的及意义
•   1.3 本论文的研究内容
• 2 荷花与玉兰相关生热蛋白结构与系统进化
•   2.1 AOX与UCP蛋白三级结构
•     2.1.1 材料与方法
•     2.1.2 实验结果
•     2.1.3 分析与讨论
•   2.2 AOX与UCP蛋白系统进化与保守结构域
•     2.2.1 材料与方法
•     2.2.2 实验结果
•     2.2.3 分析与讨论
•   2.3 本章小结
• 3 AOX和UCP在荷花开花生热中的作用
•   3.1 荷花开花生热过程中的生热指标
•     3.1.1 材料与方法
•     3.1.2 实验结果
•     3.1.3 分析与讨论
•   3.2 荷花开花生热过程中的二次开合现象
•     3.2.1 材料与方法
•     3.2.2 实验结果
•     3.2.3 分析与讨论
•   3.3 荷花开花生热过程中的蛋白表达
•     3.3.1 材料与方法
•     3.3.2 实验结果
•     3.3.3 分析与讨论
•   3.4 本章小结
• 4 AOX和UCP在玉兰开花生热中的作用
•   4.1 玉兰开花生热过程中的温度变化
•     4.1.1 材料与方法
•     4.1.2 实验结果
•     4.1.3 分析与讨论
•   4.2 玉兰开花生热过程中的蛋白表达
•     4.2.1 材料与方法
•     4.2.2 实验结果
•     4.2.3 分析与讨论
•   4.3 玉兰开花生热过程中的呼吸底物变化
•     4.3.1 材料与方法
•     4.3.2 实验结果
•     4.3.3 分析与讨论
•   4.4 玉兰开花生热过程中的细胞形态变化
•     4.4.1 材料与方法
•     4.4.2 实验结果
•     4.4.3 分析与讨论
•   4.5 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录清单
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘丽娅

导师: 王若涵

关键词: 交替氧化酶,开花生热,玉兰,荷花,解偶联蛋白

来源: 北京林业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 北京林业大学

分类号: Q945

DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.000762

总页数: 72

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