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在植物根形态建成中,侧根(lateral root;LR)发生是重要的农艺性状,生长素在侧跟发生过程中发挥着重要作用。硫化氢(hydrogen sulfide;H2S)作为新的气体信号分子参与生长素诱导的番茄LR发生。过氧化氢(hydrogen peroxide;H2O2)是植物信号转导系统的重要组分,之前的研究发现H2O2参与生长素诱导的不定根及侧根发生。然而仍不清楚H2S和H2O2在LR发生过程中是否存在互作。此外,已有报道指出,甲烷(methane;CH4)能够通过抗氧化、抗凋亡和抗炎作用减缓大鼠心肌缺血损伤。与动物相比,CH4的植物生理学效应研究较少。目前发现,CH4可能作为新的气体信号分子提高植物耐盐性,对抗重金属胁迫及黄瓜不定根发生。但是,没有直接的证据证明CH4参与生长素诱导的LR发生。而H2S和H2O2是否在CH4的诱导LR发生过程中发挥作用及分子机制尚不清楚。因此本论文通过药理学和遗传学等试验以H2S和H2O2为重点分析CH4调控侧根发生的分子机理,具体研究结果如下:采用不同浓度CH4处理番茄及拟南芥幼苗,结果发现,CH4能够以浓度依赖方式参与生长素诱导的LR发生。通过比色法和激光共聚焦分析幼苗根部H2S含量变化发现,与对照相比,外源甲烷处理能够提高半胱氨酸脱巯基酶(cysteine desulfhydrase;DES)活性、增加内源H2S含量、上调DES1基因表达以及侧根发生。外源添加H2S清除剂亚牛磺酸(HT)和合成抑制剂DL-propargylglycine(PAG)可以阻断上述CH4的促进效应。进一步实验发现,硫氢化钠(NaHS;H2S供体)和CH4均能调控细胞周期循环基因(SlCYCA2;1、SlCDKA1和SlKRP2)和侧根发生相关的mRNAs(miR160和miR390)及其靶基因ARFs(SlARF4和SlARF16),这种调控效应会被HT和PAG所逆转。上述结果在遗传学实验中得到了证实。与拟南芥野生型(WT)相比,DES突变体atdes1的内源H2S积累及LR发生受到了显著抑制,外源CH4处理无法逆转上述抑制效应。以上结果表明,H2S是CH4诱导LR发生信号通路中的下游信号分子。与H2S类似,H2O2作为信号分子参与植物LR发生。通过激光共聚焦检测H2DCF-DA荧光变化,发现外源NaHS处理能够促进内源H2O2积累,添加HT或PAG共处理会逆转这种促进效应。药理学及解剖学实验发现,外源NaHS和H2O2均可以促进番茄侧根原基形成及侧根发生,结合H2O2清除剂(dimethylthiourea,DMTU)和 NADPH 氧化酶抑制剂 DPI(diphenylene idonium)共处理会显著抑制NaHS促进的SlRBOH1基因表达上调,内源H2O2积累及番茄LR发生。进一步的分子生物学实验表明,H2S参与调控细胞周期循环基因表达,例如 SlCYCA2;1、SlCYCA3;1 和 SlCDKA1 表达上调,SlKRP2 表达下调,NaHS与DMTU或DPI的共处理会抑制这种调控作用。通过qPCR分析侧根发生相关的mRNAs(miR160和miR390)及其靶基因ARFs(SlARF4和SlARF16)转录本变化,结果与上述药理学结果一致。NaHS处理上调miR160和miR390表达,下调SlARF4和SlARF16表达,添加DMTU或DPI共处理得到相反的趋势。上述结果表明,H2O2介导H2S诱导的番茄LR发生。此外,通过改良生物素转化法分析发现,蛋白质硫巯基化修饰是H2S诱导番茄LR发生的可能机制之一。综上所述,上述研究结果证明,甲烷作为生长素的下游信号分子参与植物LR发生,而H2S通过调控细胞周期循环基因及miRNAs表达参与CH4诱导LR发生的信号通路中。同时,H2S和H2O2的互作在LR发生过程中发挥着重要作用。因此,CH4、H2S和H2O2之间的互作对侧根发生至关重要并积极地影响着植物的生长发育。