全 文 ：2012 年 月
第 卷 第 期
四川大学学报 自然科学版
一
叶绿体信号参与了拟南芥干旱胁迫响应
何春霞 ,` ,曹文尧 `,张中伟 ,程 鉴 ,徐 飞 ,林宏辉 ,袁 澎 “
新疆伊犁师范学院生命与资源环境系 ,奎屯
四川大学生命科学学院 ,成都
摘 要 研究了 拌 除草剂 盯 对自然干旱胁迫下拟南芥野生型植株和
叶绿体信号突变体 和 的生理参数和一些抗性基因转录水平的影响 干旱胁迫与除
草剂协同处理 时 ,叶片出现白化和姜蔫 叶片含水量明显下降 丙二醛含量大幅度升高
活性氧积累明显加重 基因表达下调 尸 , 尸 , 和 基 因的转录水平显著
上调 突变体 和 叶片白化比野生型严重 突变体生理指标的变化幅度 比野生型大
突变体基因表达的变化幅度很小 甚至没有变化 ,远小于野生型 这些结果表明 ,叶绿体信号
的关键分子 和 蛋白可能参与了干旱信号传导和适应机制 ,尤其是 蛋白
的作用更为明显 ,暗示叶绿体信号转导途径可能与植物抗逆过程有交叉
关键词 拟南芥 除草剂 干旱胁迫 丙二醛 杭氧化酶类
中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一
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收稿 日期 一 一
基金项目 国家自然基金 计划 四川省科技厅项目 教育部项 目
成都市科技局 一
作者简介 何春霞 一 ,女 ,讲师 ,湖南省新田县人 ,研究方向为生物化学与分子生物学
通讯作 者 袁澎 一 ·
四川大学学报 自然科学版 第 卷
, , , ,
引 言
在植物细胞的叶绿体与细胞核之间存在着协
调关系 ,核基因产物可以调控叶绿体基因的转录和
翻译 ,叶绿体的代谢及发育状态也能影响核基因编
码的叶绿体蛋白的表达 , 〕
,细胞核基因组与叶绿体基因组间解偶联
系列突变体是目前用于研究叶绿体信号转导的重
要突变体 ,已有 种 位点被报道过 ,它们都
编码叶绿体蛋 白 叶绿素含量检测显示
蛋白都位于叶绿素合成通路上 ,而
蛋白则与叶绿素合成无关 ,是一种叶绿体 结
合蛋白闭 和 与四毗咯代谢中血红
素的合 成有关 ,而 与叶 绿素 的合成有
关 〔`一〕, 是 的协 助调 控 蛋 白川
基因是一系列 基因中研究得较为透
彻的一个 ,它编码叶绿素合成中必经的镁离子鳌合
酶的 亚基
已有研究报道了活性氧在高等植物叶绿体信
号传导中的作用 ,研究表明除草剂 引发的信号
是镁原叶琳信号与活性氧信号的叠加 ,光合电子传
递链的氧化还原状态改变引发的信号大部分也可
以归结为一种活性氧信号图 等 。〕报
道 ,对生长 的拟南芥幼苗进行 ℃热处理
, 突变体 和 的成活率明显降低 ,由此
推测叶绿体信号可能与植物的热胁迫适应有关 ,本
文研究的目的在于初步探讨叶绿体信号与干旱胁
迫适应的关系 ,进一步发现叶绿体信号在植物适应
环境胁迫中的作用
材料与方法
实验材料
拟南芥野生型 一 和突变体 和
材料由美国 研究所 教授 美国
科学院院士 赠送 一。, 和 种子在室
温 ℃ 下浸种 后土壤种植 ,温室培养温度
为 士 ℃,光照条件为 光暗交替 培
养 后进行胁迫处理 ,每个 品种设对照组 ,
自然成长 和处理组 自然干旱 停止浇水 ,干旱
处理前用 拌 ,一种除草剂
和叶绿体信号引发剂 喷洒叶片一次 〕,取胁迫后
和 的植株分别测定生理指标和抗逆基因的
转录水平 单纯干旱胁迫不能造成野生型和突变体
产生显著差别 数据未列出 ,所以未开展单纯干旱
处理相关实验
方 法
含水量的测定 分别剪取各试材叶 一
片 ,用吸水纸将表面轻轻拭净 ,称其鲜重
, , 烘干 后 ,称其干重
, 绝对含水量一 鲜重一干重 鲜重
丙二醛含量的测定 分别称取各试材叶片
剪碎 ,加入 和少量石英砂 ,研磨至
匀浆 ,再加 三氯乙酸 进一步研磨 ,匀
浆离心 ,吸取离心的上清液
对照加 蒸馏水 ,加人
硫代巴比妥酸 溶液 ,混匀物于沸水浴上反应
,迅速冷却后离心 取上清液测定 、 。
和 波长下的消光度 〔川 拼
一 。。一 。 为 的浓度
。、 、 。。。分别代表 、 和
波长下的消光度值 根据植物组织的重量计算测
定样品中 的含量 拌 一
如 提取液体积 叶片鲜重 ,
活性氧染色 取不同品种试材叶片 ,转人
指形管中 过氧化氢和超氧离子分别在室温真空掺
入 , 一二氨基联苯胺 ,
和 氯化硝基四氮哩蓝 染色 ,连
续抽真空 倒掉液体 ,加人 乙醇 , ℃处
理 以上 ,直到叶绿素被完全去除 保存于
乙醇中 ,扫描检测染色结果叫
一 检测相关基 因的转录水平 分别
提取各试材总 `〕,采 用苯酚一氯仿提取法 ,以
之为模板进行 一 ,引物序列见表 反
应条件如下 , ℃预变性 ,一个循环
变性 , 退火 , ℃延伸 ,
个循环 尸 和 ℃预变性 ,一
个循环 变性 , 退火 , 延伸
, 个循环 尸 ℃预变性 ,一个
循环 变性 , 退火 , 延伸
, 个循环 尸 ℃预变性 ,一个循
环 变性 , 退 火 , 延伸
, 个循环
第 期 何春霞等 叶绿体信号参与了拟南莽干旱胁迫响应
表 引物序列
基因名称 登录号 上游引物序列 下游引物序列
尸
尸
结果与分析
对干旱胁迫下拟南芥形态的影响
从图 可以直观地看出除草剂
处理后叶片的白化现象 ,干旱胁迫与 协
同处理 后 ,拟南芥野生型 、突变体 和
都有不同程度的白化 新叶片白化最严重 ,其
中突变体 和 白化的面积最大 ,比也野
生型更为显著 ,同时叶片开始卷曲 、萎蔫
自然干旱
一
邵
双
图 对干旱胁迫下拟 南芥形态的影响
飞
四川大学学报 自然科学版 第 卷
对干旱胁迫下拟南芥叶片的氧化伤害
从叶片的绝对含水量的变化 图 可以看出 ,
随着胁迫时间的延长 ,叶片的含水量均逐渐降低 ,
突变体 和 下降的幅度更大 胁迫处理
时 ,突变体 失水最为严重 ,拟南芥野生
型绝对含水量下降幅度比较小
丙二醛 是生物膜系统脂质过氧化产物
之一 ,其含量可以指示干旱胁迫对质膜的伤害程
度 ,是逆境生理的一个重要指标参数 从图 可以
看出 ,胁迫处理 时 ,叶片丙二醛含量变化不大 ,
突变体与野生型的差异也不显著 随着干早
共胁迫时间的增加 , 的含量呈现明显上升趋
势 ,其中以突变体 叶片的 含量上升最
为明显 ,其幅度是拟南芥野生型的两倍
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自然干旱 自然干旱
图 时干旱胁迫下拟南芥叶片含水量和丙二醛的影响
对干旱胁迫下叶片活性氧产生的影响
从活性氧染色结果 图 可以看出 ,胁迫
的野生型叶片 染色 的含量只有轻微
上升 ,胁迫 天时有较显著上升 而突变体中
的积累明显高于野生型 ,尤其是 突变
体产生的 最多 染色结果 检测 牙 与
染色类似 突变体中超氧离子积累明显高于
野生型
对干旱胁迫下几种抗性相关基因转录水
平的影响
从 一 结果 图 可以看出自然干旱
共处理 天后 处理 天时基因表达差异不
显著 ,图中未列出 拟南芥野生型中 基因的转
录下降明显 ,而突变体 和 溯 中 基因
的下调被抑制 干旱 响应基 因 “ 的转 录水平
显著提高 ,但拟南芥野生型的升高幅度大大高于突
变体 尸 、 尸 、 尸 是受叶绿体信号诱导最明
显的抗氧化酶类基因 ,从图 中可以看出这三个
基因在突变体中没有明显变化 ,而在野生型中被强
烈诱导
自然干旱 自然干旱
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过氧化氢 超氧离子
图 对干旱胁迫下叶片过氧化氮
和超氧离子 的积 累
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第 期 何春霞等 叶绿体信号参与了拟南芥干旱胁迫响应
自然干旱
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因的表达水平
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早期的一些实验研究已经证明在细胞核与叶
绿体之间存在着胞内信号转导通路 ,近几年来 ,关
于叶绿体信号与植物抗逆作用关系的研究也正在
开展 ,一`〕 本 文 首 次 报 道 了 除 草 剂
处理下拟南芥野生型和突变体 、
对 自然干旱胁迫的适应能力的差别
所有生理参数都显示叶绿体信号的突变体比
野生型对于干旱 共同胁迫更敏感 其主要原
因是突变体活性氧积累较多 这可能与突变体中
。 的高稳定性有关 是细胞核基因组编码
的重要光合基因 ,它的翻译产物是叶绿体光系统
的捕光 色素结 合 蛋 白 外 周天线 , 〕 当
阻断了叶绿素合成途径 ,四毗咯 叶绿素 合成
代谢的中间产物在叶绿体中积累 主要是镁原叶琳
,进而抑制 细胞核 的转录 〔卜 “〕 和
蛋白是叶绿体信号转导的关键分子 ,所以
突变体 和 中 的转录水平在
处理下不下降 〔一“〕干旱胁迫或除草剂处理都容易
造成光系统的氧化损伤和光抑制 ,如果此时光系统
不能及时关闭 ,过剩的光能将诱导大量活性氧的产
生 〕,所以高 。 水平可能是 和 突变
体高 的原因之一
另 外一 方 面 ,抗氧化 酶基 因 尸 、 和
尸 的转录水平在突变体中没有被胁迫所诱导 ,
这可能是突变体中活性氧不能被清除的另一个原
因 等 〕用基因芯片对受叶绿体信号诱导
和抑制的基因进行了分析 ,发现受叶绿体信号诱导
的主要是一些抗氧化酶基因或胁迫响应基因 该文
的实验用 一 的方法进一步证实 尸 、 尸
和 的是叶绿体信号诱导型基因 ,而且受
和 的调控 我们 的实 验 还发 现
基因 编码一个渗透胁迫响应蛋白 〔`们 也可
能是一个叶绿体信号诱导型基因 ,其调控也部分依
赖于 和 蛋白
是多种叶绿体信号在叶绿体内的交叉
点 ,包括部分活性氧信号 〕,所以 突变体抗
性较差 、活性氧积累较多可以容易地得到解释 而
只参与镁原叶琳 介导的叶绿体信号转
导 ,似乎与活性氧或逆境信号没有直接关系〔一〕
但 等 〔`们的研究表明 蛋白可以在
叶绿体被膜和类囊体膜上进行翻转 盯 ,它
的亚细胞定位依赖于镁原叶琳 和镁离子的含
量变化 所以 ,我们推测 也许和 存在
相互作用 , 亚细胞定位的改变可能影响到
了 发挥信号转导活性 ,因此 突变体与
突变体类似表现出较差的非生物胁迫抗性
叶绿体信号途径可能与多种植物抗逆过程有交叉
或重叠 ,甚至二者可能有共 同的信号元 件 如
蛋白 ,这是对叶绿体信号功能新的认识
参考文献
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责任编辑 白林含 〕