盐胁迫下乙烯调控拟南芥种子萌发的作用机制

【摘要】盐胁迫是影响植物生长发育的一个重要环境因素,但是植物的抗盐机制还有待进一步深入的研究。种子作为植物最重要的繁殖材料,其在盐胁迫下的萌发及萌发后幼苗的早期生长状况在一定程度上反映了植物的抗盐能力。植物气体型激素乙烯是迄今发现的唯一气体型激素,其不仅能够调节包括种子萌发、开花、衰老与脱落在内的生长发育过程,还参与调控植物的逆境反应。为了研究盐胁迫下乙烯信号对种子萌发的调控及其内在机制,本研究选用拟南芥哥伦比亚野生型Col-0及以其为背景的乙烯不敏感型突变体ein2-5和组成型乙烯反应突变体ctr1-1值株种子为实验材料,将其置于盐胁迫(NaCl)条件下培养,验证乙烯信号对于盐胁迫下拟南芥种子萌发的意义。不仅通过外源施加乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylicacid,ACC)以及乙烯作用相关抑制剂进一步确定乙烯的功能,还探讨了一氧化氮(NO)信号分子对盐胁迫下拟南芥种子萌发的影响及其与乙烯信号在此过程中的相互作用。此外,本研究还分析了盐胁迫下乙烯信号对拟南芥种子内源过氧化氢(H2O2)产生,胚根仲长区细胞凋亡以及油脂代谢的影响。拟南芥作为理想的模式植物,与许多蔬菜、油料以及观赏植物同属十字花科植物。本研究不仅为揭示盐胁迫下种子萌发的调控机制提供重要的理论依据,而且对于实际农业生产中新品种培育以及我国大面积盐土开发与利用具有重要的实践意义。本研究主要结果如下：1.高浓度盐胁迫(NaCl)抑制拟南芥种子萌发伤害的来源。将野生型拟南芥种子置于NaCl(50mM,100mM,150mM和200mM)以及具有同等渗透势的甘露醇(100mM,200mM,300mM和400mM)预处理的培养基上完成吸胀作用,结果表明,NaCl胁迫对种子萌发引起的抑制作用远比甘露醇大,证明NaCl抑制种子萌发是由Na+引起的离子毒害造成的,而非溶液渗透势降低引起的渗透胁迫。2.乙烯信号对盐胁迫下拟南芥种子萌发的调控。对比研究乙烯不敏感型突变体ein2-5与组成型乙烯反应突变体ctrl-1在高盐胁迫(NaCl>100mM)培养条件下种子萌发的差异表明,与野生型拟南芥相比,ein2-5的种子萌发受到更严重的抑制,证明乙烯信号是盐胁迫下拟南芥种子所必须的调控因子。相反,突变体ctrl-1的种子则表现出了较高的抗盐能力,其萌发率显著高于同条件下的野生型种子,说明增强的乙烯信号反应,促进盐胁迫下拟南芥种子的萌发。另外,外源施加乙烯合成前体ACC于盐胁迫的Col-0种子不仅可以直接提高其萌发率,还显著地提高了萌发后幼苗的抗盐能力,降低了盐胁迫对幼苗胚根与子叶生长发育的抑制。3.信号分子NO对盐胁迫下拟南芥种子萌发的影响及其与乙烯在此过程中的关系。外源施加NO合成供体硝普钠(SNP)有效提高了盐胁迫下Col-0种子的萌发率和萌发后幼苗早期生长发育阶段的抗盐能力,降低了盐胁迫对胚根造成的生长抑制。进一步研究发现,乙烯与NO信号相互依赖调控盐胁迫下拟南芥种子萌发过程：完整的乙烯信号传导途径或增强的乙烯反应能够保证盐胁迫下种子内源NO正常合成；外源NO合成供体则具有促进盐胁迫下乙烯生物合成、提高乙烯反应的功能。由此可见,在盐胁迫下拟南芥种子中,二者形成一个相互作用的网络,彼此促进对方的生物合成,保证其发挥各自生物功能,共同参与调控萌发过程。4.盐胁迫下拟南芥吸胀种子中乙烯、NO与H2O2的关系。本研究选用H2O2预处理培养基模拟吸胀种子受到的氧化胁迫,结果表明,外源施加ACC可以极大的提高氧化胁迫下拟南芥种子的萌发能力,而SNP则只能较低程度的增加并且其功能发挥依赖于乙烯信号途径。另外,外源施加ACC可以显著降低Col-0吸胀种子中内源H2O2含量,但对于ein2-5则没有效果。以上结果说明,完整的乙烯信号传导途径或者增强的乙烯反应对于保持细胞内氧化还原平衡状态至关重要。野生型吸胀种子中编码超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的基因表达受盐胁迫诱导有不同程度的提高,相反,在乙烯不敏感型突变体ein2-5中其表达量却未发生显著变化。抗氧化酶系统主要成员SOD、CAT和POD酶的活性受盐胁迫的诱导也发生改变,但总体来讲野生型较ein2-5种子中三种酶活性更稳定,说明野生型种子细胞氧化还原的状态更稳固。以上结果凸显了乙烯信号对于细胞内氧化平衡状态维持的重要性,本研究猜测这是乙烯正调控盐胁迫以及氧化胁迫下拟南芥种子萌发的内在机制之一。5.乙烯信号对吸胀种子胚根分生区细胞凋亡与油脂代谢的影响。乙烯组成型反应突变体ctrl-1胚根在盐胁迫下表现出较强抗性,克服了胁迫对伸长生长诱发的抑制,其胚根分生区细胞横向生长、体积变小,数目增加,排列紧密。同时,分析胚根伸长区细胞凋亡进程与油脂代谢发现,乙烯不敏感型突变体ein2-5中油脂分解过程受阻,油体数目比野生型减少但体积增大,并且其胚根外皮层细胞发生大面积细胞凋亡。相反,突变体ctrl-1种子中增强的乙烯信号反应保证细胞油脂代谢活动进行,细胞内油体体积变小数目增加,为胚根伸长生长等萌发活动提供能量,降低凋亡细胞的可能,减少种子坏死的发生,维持细胞正常活力,保证逆境条件下种子顺利萌发。因此,本研究即认为乙烯信号参与调控盐胁迫下吸胀种子中细胞凋亡与油脂代谢的进程,并最终决定了拟南芥种子的萌发特征。
【作者】林英超；
【导师】祖元刚；唐中华；
【作者基本信息】东北林业大学，植物学，2014，博士
【关键词】盐胁迫；拟南芥；乙烯；一氧化氮；过氧化氢；种子萌发；细胞凋亡；

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