模擬酸雨對擬南芥某些生理特性和基因表達(dá)譜的影響.pdf

1、酸雨是世界性的環(huán)境污染問題之一，它可導(dǎo)致環(huán)境酸化，影響植物的正常生長和發(fā)育。本文以模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)為材料，對其進(jìn)行模擬酸雨處理，研究了其在酸雨處理下某些生理指標(biāo)的變化，并利用基因芯片技術(shù)檢測了酸雨對擬南芥基因表達(dá)譜的影響，為后續(xù)耐酸相關(guān)基因的克隆和抗酸性新品種的培育提供良好的基礎(chǔ)。 本文采用pH2.5、3.0、4.0、5.6(對照)的模擬酸雨噴灑處理野生型擬南芥(WT)和鈣受體蛋白CA

2、S反義植株(CASas)，探討了不同pH值模擬酸雨對兩種擬南芥材料葉片傷害、葉綠素含量、可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)三種抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明：模擬酸雨處理一周后，兩種擬南芥葉片的葉綠素a/b，SOD和CAT的活性隨著酸雨pH值的降低而降低，葉片可見傷害面積、可溶性蛋白含量、MDA含量和POD活性則呈上升趨勢。pH<3.0的模擬酸雨會對擬南芥造成嚴(yán)重傷害

3、，且WT對酸雨的耐受性遠(yuǎn)大于CASas。 為了進(jìn)一步探索植物對酸雨的應(yīng)答機(jī)制，本文利用Affymetrix公司的擬南芥全基因組芯片ATH1分析了pH3.0模擬酸雨處理8h、32h、68h和116h后，WT的基因表達(dá)譜的變化(樣品編號記為A8，A32，A68，A116，C8，C32，C68，C116)，共檢測到酸雨相關(guān)的表達(dá)量變化兩倍以上的差異表達(dá)基因439個，已知功能及有推定功能的有394個，共分為15大類，涉及物質(zhì)代謝、環(huán)境

4、應(yīng)答、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等生命活動的各個方面。 pH3.0模擬酸雨處理后8h，32h，68h和116h，處理組與對照組的差異表達(dá)基因數(shù)分別為55，66，25和30。其中，表達(dá)上調(diào)的基因數(shù)分別為28，24，19和14；表達(dá)下調(diào)的基因數(shù)分別為27，42，6和16。酸雨處理組樣品之間的比較中，A8和A32的差異表達(dá)基因有35個，其中上調(diào)基因15個，下調(diào)基因20個；A32和A68的基因表達(dá)差異極其顯著，差異表達(dá)基因為370個，其中上調(diào)基因203

5、個，下調(diào)基因167個；A68和A116的差異不大，僅有22個。我們推測酸雨處理32-68h之間存在擬南芥對酸雨的耐受閾值，各種生理反應(yīng)發(fā)生劇烈變化，基因的表達(dá)量表現(xiàn)出顯著差異。 通過綜合分析各類基因的表達(dá)規(guī)律后發(fā)現(xiàn)：13個鈣結(jié)合蛋白的編碼基因、15個活性氧代謝相關(guān)基因的表達(dá)量在酸雨處理下發(fā)生顯著變化，表明鈣信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，活性氧的代謝在擬南芥應(yīng)答酸雨信號過程中起重要作用；與植物抗逆相關(guān)的鋅指蛋白類轉(zhuǎn)錄因子、NAC轉(zhuǎn)錄因子、ERF/

6、AP2轉(zhuǎn)錄因子和MYB轉(zhuǎn)錄因子的基因表達(dá)量隨著酸雨處理時間和強(qiáng)度的增加而呈上升趨勢，調(diào)控這些基因的表達(dá)可能會增強(qiáng)植物的抗酸能力。此外，37個與植物次生代謝相關(guān)基因表達(dá)量發(fā)生變化，木質(zhì)素、生物堿等次生代謝產(chǎn)物的合成在酸雨處理下加強(qiáng)：7個編碼光合色素蛋白的基因也隨酸雨處理時間和強(qiáng)度的增加而上調(diào)表達(dá)，以盡力維持光合作用的正常進(jìn)行。植物對逆境的響應(yīng)是一個多基因影響多途徑參與的復(fù)雜過程，上述基因表達(dá)量的變化表明擬南芥啟動了多種途徑以抵御酸雨的傷害

7、。 另外，我們還檢測到在酸雨處理初期，與水楊酸(SA)途徑相關(guān)的基因呈上調(diào)表達(dá)趨勢，而在酸雨處理68h以后，SA途徑相關(guān)基因的表達(dá)轉(zhuǎn)而下調(diào)，茉莉酸(JA)途徑相關(guān)的基因表達(dá)量大幅上調(diào)。我們推測，在酸雨處理前期，擬南芥的應(yīng)答途徑與SA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相關(guān)，但隨著酸雨處理時間與強(qiáng)度的增加，超過其耐受的閾值，SA途徑介導(dǎo)的的保護(hù)效應(yīng)開始減弱，JA介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑起主導(dǎo)作用。 我們還利用生物信息學(xué)手段，綜合分析了酸雨、低溫、干