蔗糖和一氧化氮對植物缺鐵響應(yīng)的調(diào)控作用及其機(jī)制.pdf

1、鐵是植物必需的微量元素。雖然鐵是地殼中的第四大豐富元素，但在通氣性良好的堿性或石灰性土壤中，由于鐵的有效性低常常難以滿足植物正常生長發(fā)育的需要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約有40％耕地土壤存在不同程度的缺鐵脅迫，缺鐵已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素之一。植物在長期進(jìn)化過程中，形成了一系列耐缺鐵脅迫的響應(yīng)機(jī)制，并受多種信號分子和多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在多個(gè)水平上復(fù)雜的調(diào)控。近年來，盡管國內(nèi)外關(guān)于植物吸收鐵的分子生理機(jī)制方面已有大量的研究報(bào)道，但對植物

2、耐缺鐵響應(yīng)的信號調(diào)控過程及其機(jī)制的了解仍然較為薄弱。為此，本論文以擬南芥和矮生番茄為材料，首先利用RNA-Seq（轉(zhuǎn)錄組測序）技術(shù)在基因組水平上分析缺鐵脅迫誘導(dǎo)的基因表達(dá)變化，篩選了可能參與調(diào)控植物耐缺鐵響應(yīng)的因子，進(jìn)而運(yùn)用生理學(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等手段，研究了這些因子在植物耐缺鐵響應(yīng)調(diào)控和鐵吸收利用中的作用機(jī)制。取得的主要結(jié)果如下：
　　1.以擬南芥為材料，采用RNA-Seq技術(shù)，研究了缺鐵脅迫下基因表達(dá)的變化。結(jié)果表明，與正

3、常供鐵相比，缺鐵條件下共有316個(gè)基因表達(dá)受到顯著影響，其中232個(gè)基因表達(dá)受缺鐵誘導(dǎo)，84個(gè)基因表達(dá)受缺鐵抑制。通過GO（基因本體）生物學(xué)過程分析，發(fā)現(xiàn)這些差異表達(dá)的基因涉及植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、離子穩(wěn)態(tài)平衡、碳水化合物代謝、次生代謝、細(xì)胞壁合成與修飾、防御響應(yīng)等多個(gè)生理過程。缺鐵條件下多個(gè)與鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因如IRT1，F(xiàn)RO2，OPT3、NAS1的表達(dá)以及調(diào)控這些基因表達(dá)的bHLH轉(zhuǎn)錄因子等均受缺鐵脅迫的顯著誘導(dǎo)，這對于增強(qiáng)缺鐵脅迫下

4、植物對鐵的吸收和利用能力具有重要作用。此外，缺鐵還顯著調(diào)控了許多與缺鐵響應(yīng)相關(guān)的乙烯的合成及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、生長素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中基因的表達(dá)，暗示激素信號分子可能在調(diào)控植物耐缺鐵響應(yīng)中扮演了重要角色。耐人尋味的是，參與碳水化合物代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)以及細(xì)胞壁合成和修飾的基因表達(dá)也受缺鐵脅迫的顯著調(diào)控。其中，缺鐵脅迫增強(qiáng)蔗糖的轉(zhuǎn)運(yùn)可能對生長素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而調(diào)控根系對鐵的吸收;而細(xì)胞壁合成與修飾可能會對根系質(zhì)外體鐵的再利用產(chǎn)生影響。

5、　　2.以野生型、糖轉(zhuǎn)運(yùn)缺失、糖轉(zhuǎn)運(yùn)過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株和生長素轉(zhuǎn)運(yùn)突變體的擬南芥為材料，研究了缺鐵條件下蔗糖對植物耐缺鐵響應(yīng)的調(diào)控作用及其機(jī)制。結(jié)果顯示，缺鐵處理增加了擬南芥根中蔗糖的含量。外源添加蔗糖處理促進(jìn)了缺鐵誘導(dǎo)的高鐵還原酶(FCR)活性，同時(shí)增加了缺鐵根中鐵吸收相關(guān)基因FRO2、IRT1和FIT的表達(dá)，遮光處理則逆轉(zhuǎn)了上述過程。在缺鐵條件下，蔗糖高積累的轉(zhuǎn)基因植株35S∷SUC2根中FCR活性和鐵吸收相關(guān)基因的表達(dá)均顯著高于野生

6、型植株，而蔗糖低積累突變體suc2-5的上述缺鐵響應(yīng)顯著低于野生型植株，表明耐缺鐵能力在35S∷SUC2轉(zhuǎn)基因植株中得到增強(qiáng)，而在suc2-5突變體中明顯減弱。此外，外源添加蔗糖處理也增強(qiáng)了缺鐵的DR5-GUS轉(zhuǎn)基因植株根中GUS的活性，但外源添加蔗糖處理卻無法增強(qiáng)生長素運(yùn)輸突變體aux1-7和pin1-1植株中FCR活性和鐵吸收相關(guān)基因的表達(dá);外源添加生長素極性運(yùn)輸抑制劑則顯著抑制了缺鐵野生型植物中蔗糖誘導(dǎo)的耐缺鐵響應(yīng)。可見，缺鐵脅迫

7、誘導(dǎo)根系積累的蔗糖作為生長素的上游信號分子，通過增強(qiáng)FCR活性以及鐵吸收相關(guān)基因的表達(dá)提高植物對缺鐵脅迫的耐性。
　　3.轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果表明，細(xì)胞壁合成與修飾的調(diào)控可能影響根質(zhì)外體鐵的再利用過程，我們實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)缺鐵脅迫顯著誘導(dǎo)NO的生成。但NO對細(xì)胞壁合成的調(diào)控作用及其與植物耐缺鐵響應(yīng)的關(guān)系尚不清楚。為此，本試驗(yàn)以矮生番茄(Solanum lycopersicum)為材料，研究了缺鐵脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生的NO對根系細(xì)胞壁組成和化學(xué)

8、性質(zhì)的影響及其與根系質(zhì)外體鐵再利用之間的關(guān)系。結(jié)果表明，缺鐵顯著促進(jìn)了NO在番茄根中的生成。外源添加NO清除劑(cPTIO)顯著降低根系質(zhì)外體鐵含量，而NO供體(GSNO)則增加了缺鐵根中質(zhì)外體鐵的含量，進(jìn)而降低了木質(zhì)部汁液中鐵的含量，表明GSNO處理雖可顯著增加根中鐵含量，但降低了地上部的鐵含量。此外，外源GSNO處理顯著增強(qiáng)了果膠甲酯酶的活性，同時(shí)降低了細(xì)胞壁果膠甲酯化程度，從而增強(qiáng)了細(xì)胞壁與鐵的結(jié)合能力，最終增加了鐵在果膠中的積累