一氧化氮信号参与镁缓解拟南芥和三七铝毒害和镉胁迫的调控机理研究

论文摘要

一氧化氮（NO）是生物体内广泛存在的信号分子,不仅调控植物的生长发育,也参与多种逆境胁迫的应答中。铝(Al3+)和镉(Cd2+)是土壤中两种有毒的金属离子。在酸性土壤中（pH<5.5）,铝是限制植物生长和作物产量的主要因素,且重金属镉的活性也随着土壤pH值的降低而显著提高。镁（Mg）是植物生长的必需营养元素,在植物生长和抗逆胁迫中具有重要作用。由于易淋洗和铝毒等问题,镁缺乏也是酸性土壤中限制植物生长和作物产量的重要因素。本研究以模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）和药用植物三七（Panax notoginseng（Burk）F.H.Chen）为研究对象,利用植物生理学、生物化学与分子生物学以及遗传学等手段分析镁对NO信号的调节参与植物抗铝毒胁迫和降低重金属镉污染的调控机理。研究结果为提高植物的抗铝能力和降低镉累积提供新的研究思路,也为提高药用植物三七的品质和产量提供理论指导依据。主要研究结果如下:1、在拟南芥中,Al毒和缺Mg诱导的NO产生都有助于抑制主根生长和细胞周期进程。相反,在Al胁迫和/或Mg缺乏的条件下,Mg的使用缓解了与NO产生相关的根生长抑制。CYCB1;1::GUS和QC25::GUS转基因材料的实验结果表明,Al诱导的NO生成会抑制根尖分生区细胞分裂能力和静止中心的干细胞活性,从而抑制根的生长。在Al存在或不存在的情况下,镁降低了野生型（Col-0）根中与NO生物合成酶相关的基因的活性和表达,但不降低Mg转运蛋白突变体幼苗（mgt1）中的活性和表达。因此,与Al胁迫下的Col-0植物相比,mgt1突变体植物表现出高Al积累、NO浓度和Al敏感性。NO合成突变体noa1和nia1nia2均显示出对Al毒和Mg缺乏不敏感,进一步证实NO产生的减少涉及Al毒和/或Mg缺乏下Mg介导的根生长促进。总之,本章实验结果表明,Mg介导的根生长和铝耐受性的增强与改变拟南芥中的NO产生有关。2、三七中,Al毒害和Cd胁迫诱导的NO产生均导致根对Mg的吸收降低。Cd增加NO相关合成酶NR的活性、破坏细胞膜完整性,增加根中的Cd累积。NR和14-3-3蛋白相互作用启动子（MgCl2）的使用显着降低了Cd诱导的NO产生和根中Cd的富集。表明NR和14-3-3蛋白是影响根系Cd积累的主要因素。相反,蛋白质磷酸化抑制剂（冈田酸,OA）以及NR和14-3-3蛋白质相互作用抑制剂（5’-AMP）不改变三七中的Cd积累。此外,Western-Blot结果显示Cd显着抑制14-3-3蛋白的表达并减少与NR的相互作用,MgCl2可有效改善这种状况。本章结果表明,镁可以通过增强14-3-3蛋白与NR的相互作用降低三七中镉诱导的NR依赖性的NO生成,降低根中的Cd累积。3、田间实验中,Mg的叶面喷施增加了叶片的叶绿素含量、根茎叶的干重以及根中总皂苷含量,且在增加根中镁含量的同时降低了镉和铝含量。土壤施镁实验结果表明,Mg的使用虽然对茎的干重影响不明显,但显著增加了根和叶片的重量。相比叶面喷施,土壤施镁在大幅提高根中Mg含量的同时大幅降低了根中重金属Cd和Al的富集。以上实验结果表明,田间种植过程中,镁的使用能有效促进三七生长、增加三七产量、提高三七药用成分含量并降低三七药用部分的重金属Cd和Al的含量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词
• 第一章 前言
•   1.1 NO与植物生长发育和逆境胁迫应答的调控机理
•     1.1.1 植物中NO的产生途径及调控机理
•     1.1.2 NO对植物生长发育的影响
•     1.1.3 NO与植物激素的相互作用
•     1.1.4 NO在植物响应逆境胁迫中的作用
•       1.1.4.1 NO参与植物生物胁迫
•       1.1.4.2 NO参与植物非生物胁迫
•     1.1.4.2.1 NO在植物温度胁迫中的作用
•     1.1.4.2.2 NO在植物干旱胁迫中的作用
•     1.1.4.2.3 NO在植物高盐胁迫中的作用
•     1.1.4.2.4 NO在植物重金属胁迫中的作用
•   1.2 铝对植物的毒害及植物抗铝毒机理
•     1.2.1 铝对植物的毒害作用
•       1.2.1.1 铝对植物主根生长的抑制
•       1.2.1.2 铝对植物细胞分裂能力和干细胞活性的影响
•       1.2.1.3 铝对植物细胞的损伤
•     1.2.2 植物抗铝毒机理
•       1.2.2.1 植物抗铝毒的生理机制
•     1.2.2.1.1 外部解毒机制
•     1.2.2.1.2 内部解毒机制
•       1.2.2.2 植物抗铝毒的分子机制
•   1.3 重金属镉污染对植物的毒害作用
•     1.3.1 土壤中镉污染的来源
•     1.3.2 镉对植物的毒害作用
•       1.3.2.1 镉对植物根系生长的影响
•       1.3.2.2 镉对植物细胞的影响
•       1.3.2.3 镉对植物体内氧化代谢的影响
•       1.3.2.4 镉对植物生理过程的影响
•     1.3.3 植物体内镉的富集机制
•       1.3.3.1 镉通过离子通道进入植物细胞
•       1.3.3.2 镉通过转运蛋白进入植物细胞
•   1.4 镁在植物生长发育及响应逆境胁迫中的作用
•     1.4.1 植物体内镁的生理功能
•       1.4.1.1 镁参与植物体叶绿素的合成和光合作用
•       1.4.1.2 镁与参与植物体内核糖体及DNA的合成
•       1.4.1.3 镁参与植物体内多种酶的活化
•     1.4.2 镁与植物非生物胁迫
•       1.4.2.1 镁在植物环境温度胁迫中的作用
•     1.4.2.1.1 镁增强植物抗铝胁迫的作用机理
•     1.4.2.1.2 镁缓解植物镉毒害的作用机理
•   1.5 本研究的目的和意义
• 第二章 NO信号参与镁缓解拟南芥铝毒害
•   2.1 材料和方法
•     2.1.1 植物材料的培养方法及处理
•       2.1.1.1 植物材料的培养
•       2.1.1.2 植物材料的处理
•     2.1.2 实验方法与测定指标
•       2.1.2.1 植物主根长及相对根伸长测定
•       2.1.2.2 根尖NO含量检测
•       2.1.2.3 ROS含量检测
•       2.1.2.4 一氧化氮合酶（NOS）及硝酸还原酶（NR）活性的测定
•       2.1.2.5 Morin染色
•       2.1.2.6 GUS染色及GUS活性测定
• TM染色'>      2.1.2.7 Magnesium Green^TM染色
•       2.1.2.8 根中铝和镁元素含量的测定
•       2.1.2.9 实时荧光定量PCR分析
•       2.1.2.10 半定量PCR分析
•     2.1.3 实验数据处理与分析
•   2.2 实验结果与分析
•     2.2.1 不同浓度的镁对拟南芥主根生长的影响
•     2.2.2 不同浓度的铝对拟南芥主根生长及内源NO含量的影响
•     2.2.3 铝胁迫下外源添加不同浓度的镁对拟南芥主根生长的影响
•     2.2.4 铝胁迫下外源添加镁对拟南芥主根生长及内源NO含量的影响
•     2.2.5 降低内源NO含量对拟南芥主根生长的影响
•     2.2.6 铝胁迫下外源添加Mg对根尖分生区细胞及干细胞活性的影响
•     2.2.7 铝胁迫下外源添加Mg对 mgt1 根生长及根中NO含量的影响
•     2.2.8 铝胁迫下外源添加Mg对 mgt1 根中Mg和 Al含量的影响
•     2.2.9 铝胁迫下Mg对 NO合成相关酶活性和基因表达的影响
•   2.3 讨论
• 第三章 镁对NO合成的抑制降低三七根系镉和铝积累调控的机理
•   3.1 材料和方法
•     3.1.1 植物材料的培养方法及处理
•       3.1.1.1 植物材料的培养
•       3.1.1.2 植物材料的处理
•     3.1.2 实验方法与测定指标
•       3.1.2.1 三七根中NO含量检测
•       3.1.2.2 一氧化氮合酶（NOS）和硝酸还原酶（NR）活性的测定
•       3.1.2.3 Evans blue染色
•       3.1.2.4 Morin染色
•       3.1.2.5 Leadmium? Green,AM染色
•       3.1.2.6 根中镉和镁元素含量的测定
•       3.1.2.7 蛋白质免疫印迹分析
•     3.1.3 实验数据处理与分析
•   3.2 实验结果与分析
•     3.2.1 外源添加不同浓度的Mg对三七根中内源NO含量的影响
•     3.2.2 外源添加不同浓度的Al对三七根中内源NO含量的影响
•     3.2.3 Mg降低三七根中铝诱导的NO产生和根中铝含量
•     3.2.4 外源添加不同浓度的Cd对三七根中内源NO含量的影响
•     3.2.5 Cd胁迫下外源添加Mg对三七根中内源NO含量及NR活性的影响
•     3.2.6 Cd胁迫下外源添加Mg对三七根中的Cd积累及细胞膜完整性的影响
•     3.2.7 Cd胁迫下外源添加Mg对三七14-3-3 蛋白质和硝酸还原酶相互作用的影响
•   3.3 讨论
• 第四章 施镁对田间种植三七提质增效的作用
•   4.1 材料和方法
•     4.1.1 植物材料及处理
•     4.1.2 实验方法与测定指标
•       4.1.2.1 三七叶片中叶绿素含量的测定
•       4.1.2.2 三七干物质含量的测定
•       4.1.2.3 三七根中皂苷含量的测定
•       4.1.2.4 三七根中金属元素含量的测定
•   4.2 实验结果与分析
•     4.2.1 叶面喷施Mg对三七叶片中叶绿素含量的影响
•     4.2.2 叶面喷施Mg对三七生物量的影响
•     4.2.3 叶面喷施Mg对三七中皂苷量的影响
•     4.2.4 叶面喷施Mg对三七根中金属元素含量的影响
•     4.2.5 土壤施Mg对三七生物量的影响
•     4.2.6 土壤施Mg对三七根中金属元素含量的影响
•   4.3 讨论
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李东旭

导师: 陈奇

关键词: 一氧化氮,铝胁迫,镉胁迫,根生长,硝酸还原酶,蛋白,拟南芥,三七

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 昆明理工大学

基金: 国家自然科学基金(31660595),云南省基金(2017FB063)

分类号: Q945

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.001843

总页数: 128

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