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对外界环境的适应是植物生长和发育过程中非常重要的特征。现今,酸雨已经是世界范围的严重环境问题,中国亦不例外。研究植物对酸雨响应的分子机制是酸雨研究的重要内容。本实验中,选取了在我国南方广泛分布的木本植物作为研究对象,分别是枫香(Liquidambar formosana Hance)、木荷(Schima superbaGardn et Champ)、马尾松(Pinus massoniana Lamb)以及南方红豆杉(Taxuswallichiana var.mairei L.)。应用实时荧光定量PCR技术分别研究上述四个物种的四个钙相关基因表达水平在不同钙浓度下对酸雨胁迫的响应,这四个基因分别是钙调素基因(CAM9),类钙调磷酸酶B互作蛋白激酶基因(CIPK1),内质网型钙离子转运ATP酶基因(ECA1)和钙网蛋白基因(CRT1)。实验中钙水平设置为低钙2.23 mmol/kg、正常钙19.98 mmol/kg和高钙102.23 mmol/kg三个水平;以pH5.6为对照,pH3.0为模拟酸雨,植物幼苗经过酸雨处理后,在第一、三和七天收集植物叶片,用于基因表达水平的分析。
实验结果表明在中钙条件下,每个物种的CAM9、CIPK1、ECA1、和CRT1都受酸雨的显著影响。同时这四个基因也受到钙浓度的影响。模拟酸雨处理下四种木本植物叶片中CAM9和CIPK1这两个基因的表达水平都随着钙浓度的增加而明显降低,ECA1和CRT1的表达则随着钙浓度的增加而提高。相反,CAM9和CIPK1的表达会随着钙浓度的降低而升高,ECA1和CRT1的表达则出现减少的现象。与抗性树种木荷和红豆杉相比,敏感树种枫香和马尾松更易受到酸雨和钙浓度的影响,其基因表达变化幅度大;在高钙情况下,敏感树种四个钙相关基因表达在时间上比抗性树种早;而低钙时,敏感树种四个钙相关基因表达在时间上则比抗性树种慢。
以上结果表明植物可以通过对钙相关基因表达的调控响应酸雨的伤害,补钙可以明显增强植物对酸雨的耐受能力。与抗性树种相比而言敏感树种比较容易受酸雨的伤害,同时也比较容易受到钙水平的影响。