蔗糖和一氧化氮對植物缺鐵響應的調控作用及其機制.pdf

1、鐵是植物必需的微量元素。雖然鐵是地殼中的第四大豐富元素，但在通氣性良好的堿性或石灰性土壤中，由于鐵的有效性低常常難以滿足植物正常生長發(fā)育的需要。據統(tǒng)計，全球約有40％耕地土壤存在不同程度的缺鐵脅迫，缺鐵已成為農業(yè)生產中限制作物產量和品質的主要因素之一。植物在長期進化過程中，形成了一系列耐缺鐵脅迫的響應機制，并受多種信號分子和多個轉錄因子在多個水平上復雜的調控。近年來，盡管國內外關于植物吸收鐵的分子生理機制方面已有大量的研究報道，但對植物

2、耐缺鐵響應的信號調控過程及其機制的了解仍然較為薄弱。為此，本論文以擬南芥和矮生番茄為材料，首先利用RNA-Seq（轉錄組測序）技術在基因組水平上分析缺鐵脅迫誘導的基因表達變化，篩選了可能參與調控植物耐缺鐵響應的因子，進而運用生理學、遺傳學和分子生物學等手段，研究了這些因子在植物耐缺鐵響應調控和鐵吸收利用中的作用機制。取得的主要結果如下：
　　1.以擬南芥為材料，采用RNA-Seq技術，研究了缺鐵脅迫下基因表達的變化。結果表明，與正

3、常供鐵相比，缺鐵條件下共有316個基因表達受到顯著影響，其中232個基因表達受缺鐵誘導，84個基因表達受缺鐵抑制。通過GO（基因本體）生物學過程分析，發(fā)現(xiàn)這些差異表達的基因涉及植物激素信號轉導、離子穩(wěn)態(tài)平衡、碳水化合物代謝、次生代謝、細胞壁合成與修飾、防御響應等多個生理過程。缺鐵條件下多個與鐵吸收轉運相關基因如IRT1，F(xiàn)RO2，OPT3、NAS1的表達以及調控這些基因表達的bHLH轉錄因子等均受缺鐵脅迫的顯著誘導，這對于增強缺鐵脅迫下

4、植物對鐵的吸收和利用能力具有重要作用。此外，缺鐵還顯著調控了許多與缺鐵響應相關的乙烯的合成及其信號轉導、生長素的信號轉導途徑中基因的表達，暗示激素信號分子可能在調控植物耐缺鐵響應中扮演了重要角色。耐人尋味的是，參與碳水化合物代謝和轉運以及細胞壁合成和修飾的基因表達也受缺鐵脅迫的顯著調控。其中，缺鐵脅迫增強蔗糖的轉運可能對生長素的信號轉導過程產生影響，進而調控根系對鐵的吸收;而細胞壁合成與修飾可能會對根系質外體鐵的再利用產生影響。

5、　　2.以野生型、糖轉運缺失、糖轉運過表達轉基因植株和生長素轉運突變體的擬南芥為材料，研究了缺鐵條件下蔗糖對植物耐缺鐵響應的調控作用及其機制。結果顯示，缺鐵處理增加了擬南芥根中蔗糖的含量。外源添加蔗糖處理促進了缺鐵誘導的高鐵還原酶(FCR)活性，同時增加了缺鐵根中鐵吸收相關基因FRO2、IRT1和FIT的表達，遮光處理則逆轉了上述過程。在缺鐵條件下，蔗糖高積累的轉基因植株35S∷SUC2根中FCR活性和鐵吸收相關基因的表達均顯著高于野生

6、型植株，而蔗糖低積累突變體suc2-5的上述缺鐵響應顯著低于野生型植株，表明耐缺鐵能力在35S∷SUC2轉基因植株中得到增強，而在suc2-5突變體中明顯減弱。此外，外源添加蔗糖處理也增強了缺鐵的DR5-GUS轉基因植株根中GUS的活性，但外源添加蔗糖處理卻無法增強生長素運輸突變體aux1-7和pin1-1植株中FCR活性和鐵吸收相關基因的表達;外源添加生長素極性運輸抑制劑則顯著抑制了缺鐵野生型植物中蔗糖誘導的耐缺鐵響應。可見，缺鐵脅迫

7、誘導根系積累的蔗糖作為生長素的上游信號分子，通過增強FCR活性以及鐵吸收相關基因的表達提高植物對缺鐵脅迫的耐性。
　　3.轉錄組測序結果表明，細胞壁合成與修飾的調控可能影響根質外體鐵的再利用過程，我們實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)缺鐵脅迫顯著誘導NO的生成。但NO對細胞壁合成的調控作用及其與植物耐缺鐵響應的關系尚不清楚。為此，本試驗以矮生番茄(Solanum lycopersicum)為材料，研究了缺鐵脅迫誘導產生的NO對根系細胞壁組成和化學

8、性質的影響及其與根系質外體鐵再利用之間的關系。結果表明，缺鐵顯著促進了NO在番茄根中的生成。外源添加NO清除劑(cPTIO)顯著降低根系質外體鐵含量，而NO供體(GSNO)則增加了缺鐵根中質外體鐵的含量，進而降低了木質部汁液中鐵的含量，表明GSNO處理雖可顯著增加根中鐵含量，但降低了地上部的鐵含量。此外，外源GSNO處理顯著增強了果膠甲酯酶的活性，同時降低了細胞壁果膠甲酯化程度，從而增強了細胞壁與鐵的結合能力，最終增加了鐵在果膠中的積累