（植物学专业论文）气孔对活性氧介导的胁迫信号反应的分子和生理机制研究.pdf

河南大掌2 0 0 8j 暑研究生博士掌位论文 摘要 已知气孔可以灵敏的感受外界环境信号的刺激 使之处于合适的开闭状态 逆境胁迫可 以引起植物体内活性氧的产生和积累 活性氧可作为信号分子调节基冈表达和多种生理反应 例如活性氧可以诱导气孔关闭和减少植物水分散失 探讨活性氧在植物气孔运动调节中的作 用 直备受人们关注 本文采用远红外成像技术 筛选和鉴定了与气孔调节相关的 对h 2 0 2 和高温双重胁迫不 敏感拟南芥突变体 并从植物整体水平上分析了h 2 0 2 介导的气孔运动调节的蚕豆抗盐反应的 生理机制 首先 我们利用远红外成像技术 在h 2 0 2 胁迫条件下 筛选得到了两株叶片温度较低的 拟南芥突变体 d 舀d 和 d 玉够 遗传学分析表明 厂d 口d 和 d 群5 是等位基因隐性突变体 我们将其 命名为 d f j 和阳f 2 生理学分析表明 在h 2 0 2 和4 5 高温胁迫条件下 d f j j 和 o 2 突变 体的气孔开度较大 离体叶片失水率在8 0m i i l 时达到6 5 和4 5 而野生型的失水率仅有1 5 左右 延长高温处理的时间到2 0h 厂0 f 一 和 o f 2 突变体的死亡率可高达6 0 和5 0 左右 而 野生型的死亡率只有5 因此 加f 和 d f 2 是在h 2 0 2 和高温胁迫条件下气孔调节反应缺失 的拟南芥突变体 图位克隆分析表明 突变基因朐 均帚码一个蛋白激酶 r 伽基因主要在拟南芥叶片保卫 细胞和维管系统中表达 定位在保卫细胞的细胞核内 r o i l 蛋白和拟南芥热激转录因子h s f 3 存在直接相互作用 h s f 3 可抑制r o l l 的磷酸化和自身磷酸化水平 j r 优j 基因突变抑制热激反 应蛋白g d 豇 基因的转录 而脚基因突变不抑制g g 忪珀q 转录 通过分析地侈 g o 氐j d f 和 d f j j 厩够突变体的表型发现 g d 珏蹭日 d f j j 突变体类似 缺乏对高温胁迫的抗性 而够突 变体反而提高了植株的抗高温胁迫能力 d f 一j 仇孵双突变体对高温胁迫的抗性和阳f j 突变体 类似 因此 拟南芥r o i l 定位在气孔保卫细胞内 参与调节植物体内h 2 0 2 产生和气孔运动 协调拟南芥抗高温反应 其次 为了探讨根部细胞如何感受和传递刺激信号 协调地上部分的反应 实验用盐胁 迫作为刺激条件 分析根部胁迫和气孔反应的关系 结果表明 盐胁迫可引起叶片温度升高 和气孔关闭 促进根 蒸腾流和气孔保卫细胞中h 2 0 2 含量增加 而且蒸腾流中的h 2 0 2 含量与 土壤中的n a c l 浓度相关 蒸腾流町以诱导蚕豆表皮条气孔的关闭 该作用可被1 0m m m o l l 的 a s a 抑制 推测 h 2 0 2 可被根部n a c l 胁迫诱导产生 并通过蒸腾流运输到叶片调节气孔的运 气孔对活性蕈 介导的胁追信号反应的分子和生理机制研究 动 另外 n a 町能通过质膜k 通道进入保 i j 细胞 h 2 0 2 可抑制保卫细胞质膜k 通道开放和减 少n a 进入 喷施适当浓度h 2 0 2 可以促进蚕豆叶片气孔关闭 抑制十壤中n a c l 胁迫引起的蚕豆 体内n a 离子的过多积累 降低蚕豆叶片的n a k 比 酬此 气孔可以作为盐胁迫信号的感应 子 协调整株植物对盐胁迫的抗性 总之 盐胁迫条件下 h 2 0 2 诱导气孔关闭的机理为人们了解植物 t o p d o w n 调节机制和植 物控制盐在叶片和茎部过度积累提供了新的依据 当过量的盐分进入叶片和茎部并超出植物 液泡区域化能力时 这种 o p d o w n 调节显得尤为重要 关键词 气孔 活性氧 高温胁迫 盐胁迫 远红外成像 一i i 河南大学2 0 0 8 届研究生博士掌位论文 a b s t r a c t g u a r dc e l l sc 觚 c u r a t e l yd e t e c t 蜘v i 枷m e n t a ls i 印a l s 她dr e s p o n db yo p e n i n g 柚dc l o s i i l g s t o m a t a h y d m g e np e r o x i d e h 2 0 2 p r o d u 鲥0 ni si l l d u c e di i lp l 锄t sf o l l o w 访ge x p o s u r et oaw i d e v a r i e t yo fa b i o t i ca n db i o t i cs t i m u l i i i l c l u d i i l gs a n d r o u g h t e t c ni sn o w c l e a rm a th 2 0 2a c t s 勰血e s e c o n dm e s s e n g e ri i l v o l v e di i la b s c i s i ca c i d a b a s i 印a i i n gi i lt 1 1 e 陀g u l a t i o no fs t 咖a t a lb e h a v i o r t h e r e f o r e f i n d i n gt h en e wi n t e m l e d i a t e so fh 2 0 2s i g n a l i n gi ng u a r dc e i l sw i l lf a c i i i t a t e 亿n h e r i n s i g h t si n t ot h ed d l eo fh 2 0 2p i a y e di ns i g n a lt r a n s d u c t i o no fp l a n tc e l l sa n dc o o r d i i l a t e d v h o l e p l a n t t o 螂t ov a r i o u ss 吮s s h e r e m 锄ym u t a n t si l lr e s p o n s et oh 2 0 2w e r ei d e n t i f i e du s i n gt h eh i 曲 t l l r o u g h p u ti l l 开a r e d t h e m o 舯p h y 妇a g i n gs y s t e m g e n e t i ca n a l y s i s 证d i c a t e dt h a t 懈oo ft h e s em u a t a n t s 加f 3 8 绷d d 衙僻骆舾们g 删w e r et v oa l l e l i cr e c e s s i v e 彳砌坳豇m u t a r l t s d e s i 印a t e d 加f j 觚d d f j 2 r e s p e c t i v e l y 1 1 l em u t a t i o ng e n eo fm i jw a sc l o n e db yp o s i t i o n a lc l o n i i l g w h i c he n c o d ea p r o t e i i lk i l l 舔e s 锄e 硒傩丌 e x p r e s s i o no fj r 伽o c c u 玎e dm a i l l l yi i lg u a r dc e l l sa i l dv 弱c u l 盯 t i s s u e 锄dt l l er o l ll o c a l i z e d mm en u c l e u s al 嘴ep e r c e n to fm es t o m a t a 矿厂d f j j 觚d 们j 乏 他m a i l l e do p 即u n d e r4 5 h e a t 蚰r e s s c o m p a r a t i v e l y t l l es t o m a 协o fw i l d 帅ep l a n t sw e r ea l m o s t 锄t i r e l yc l o s e d p r o l 彻g 舵a n l l e n t 曲d e r4 5 t 02 0h w ed i s c o v e rt h a tw r b i l e9 5 o ft h ew i l dt p e r e i n a i na l i v e n l ed e a t hr a t e s0 f d f 一 觚d o f 一2h 硒锄o u n t e dt 0 弱m u c h 鹞6 0 a n d5 0 s e p a r a r t e l y 1 1 1 eo v e 卜e x p r e s s i o no f 尺d g e n ei i l 厂d f 一 p l 锄t sm 冰e d l yi i i l p r o v e d l e i rt o l e 姗c et o h e a ts 仃e s s m e 锄w h i l e w eh a v ec h a m c t e 妇d 尺讲j 锄d h e a t s 仃e s s 缸锄s c 啷t i o nf a c t 溺3 搬乃 锄dp r o v i d ee v i d e n c em a tr o l l 舔s o c i a t ew 曲h s f 3b o t l l 加 咖d 锄d 加1 db yu s i l l gg s t p u l l d o w n t w o h y b r i d 锄ds p i l t y f p 弱s a y s i l l t e r e s t i i l g l y w ef 眦h e rd e m o n s 喊e t l l a tr o ilh 弱 a u t o p h o s p h o 巧l a t i o nc a p a c 毋锄dk i i l 雏ea c t i v a t i o no fr o i li si r l l l i b i t e db yh s f 3p r o t e i i li i la c 锄c e n t r a t i o nd e p e n d a n tm a n n e r c o n t r a s tt 0 阳l jm u 协t s 嬲l o s s o f 如n c t i o nm u t a l l t ss h o w i i l c r e 弱e dh e a tt o l e r a n c e 觚d 廿l ed o u b i em u t a l t sa r es e n s i t i v et oh e a ts 仃e s s w ea l s oi d e n t i 母 l el o n 分d i s t a i l c es i g l l a l 台d mr 0 0 tc e l l s 舔ac o m p o n e n t0 fg u a r dc e l ls i g i l a l 访g b yu s i n gi n 纳r e dc 锄e m n es t o m a 协o f 胁肠 的口l e a v e sc l o s e dw h e np l 锄t sw e r e 骶a t e db y3 0 0 m mn a c lj l lt t l es o i lf o r3h t 1 1 e r e b ya c c o m p 卸y i n gt h ei 1 1 c r e 舔eo ft e m p e m t u r e0 fl e a fs u r f k e s t o m a t a lc l o s i l l ga n dh 2 0 2i i l c r e 硒i l l gi i lr o o t s t r a n s p i r a t i o ns 仃 e 锄a n dg u a r dc e l l so f 钯砌力6 口厶 t h es 0 1 u t i o no f 仃孤s p i m t i o ns 仃e 锄c o u l di i l d u c es t o m a 协lc l o s i n g 觚di i l h i b i t e db ya s a p r e 仃e a n n e n t so fs e e d l i l l g so f 耽蛔力6 口w i n lh 2 0 2c o u l di i l d u c es t o m a t a lc l o s i n g i i m i b i tn l e i i l c r e a s i n go fn a c li i ll e a v e s i n c r e a s e st h er a t eo fl o n a o fl e a v e s w h o l e c e ur e c o r d i i l gs h o w e d t t i 气孔对活性氧介导的胁迫信号反应的分子和生理机制研究 n l a th 2 0 2c o u l da b o l i s h ei 1 1 w a r dk c u n e n t0 fg u a r dc e ni n d u c e db yn a c l t h e s er e s u l t ss u g g e s tn l a t h 2 0 2 舔al o n g d i s 协n c es i g n a lm o l e c u l ec o u l di n d u c es t o m a t a lc l o s i n g d e c r e 弱e 仃a n s p i m t i o na n d n a a c c u m u l a t i o n i m p m v e t o l e r a n c eo fs e e d l i i l g so f 所c 砌力6 口 i l ls u m m a r y t 1 1 e s ed a t as u g g e s tt h a tr o i 1i san e wc o m p o n e n ti i lh 2 0 2s i g n a l i n gi nr e s p o n s e h e a t s h o c kr e s p o n s ei i la r a b 树o p s i s 觚ds t o m a t ac o u l dp r o b a b l ya c t 舔s 饥s o ra f t e rn a c l 仃e a t m e n t t 0c o o r d i n a t ew h o l ep l a n tt o 础i p tt 0s a hs 仃e s st h r o u g l lt r a n s d u c t i o no fl o n g d i s t a j l c es i g i l a li n 朊幻 向6 口 k e yw o r d s s t o m a r o s h e a ts 仃e s s s a l ts 仃e 鳃 m 台a r e dn l e n n o g r a p h y 一 一 河龠大掌2 0 0 8j 暑研究置 博士掌位论文 缩略词表 a b b r e v i a t i o n s 英文缩写英文全称中文名称 c a 2 b c y t o s o i i c 丘 ec a 2 十c o n c e n 仃a t i o n 胞质游离c a 2 浓度 a b aa b s c i s i ca c i d 脱落酸 口6 fa b a i n s e n s i t i v em u t a n ta b a 不敏感突变体 a c r a c 巧l 锄i d e 丙烯酰胺 a m p ra m p i c i l l i nr e s i s t a n c e 氨苄青霉素抗性 a p xa s c o r ba t ep e r o x i d a s e 抗坏血酸过氧化物酶 a s aa s c o r b i ca c i d 抗坏血酸 b a cb a c t e r i a 刁i n i f i c i a lc h r o m o s o m e 细菌人工染色体 b s ab o v i i l es e m ma l b u m i i l 牛血清白蛋白 c a d p r c y c l i ca d p 曲o s e 环腺苷一5 二磷酸核糖 c a mc a l m o d u l 证 钙调素 c a tc a t a l a s e 过氧化氢酶 c n bbs u b u n i to fc a l c i l l e u 血 钙调蛋白酶的b 亚基 c 1 a dc t e m i f l a la c t i v a t o rd o m a i l l c 末端的激活域 d a b d i m e t h y i a n i n o a z o b e n z e n e 二甲基氨基偶氮苯 d b d d n a b i l l d i n gd o m a i l ld n a 结合域 d m s o d i m e t h y ls u i f o x i d e 二甲基业帆 d d h 2 0d o u b l e d i s t i l l a t i 伽h 2 0 双蒸水 d e o x y l l u c l e o t i d e 仃i p h o s p h a t e s u s u a l l yam i o f d n l l p 脱氧腺苷三磷酸 d a t p d r r p d c t p d g t p d e h y d r a t i o n r e s p o n s i v ee l 锄e n tb i n d i i l gp r o t e i i l 脱水反应因子结合蛋白 d r e b 2 a 2 a 2 a d t t d i t l l i o e 啦i t o l 二硫苏糖醇 e d t a e t h y l e n e d i 锄i n et e l t 戳比e t i ca c i d 乙二胺四乙酸 乙二醇二乙醚二胺四乙 e g t a e t h y l e n e g l y c o t e 衄协c e t i ca c i d 酸 c a 2 螯合剂 e m s e t h y l m e t h a n es u l p h o n a t e 乙酰甲基磺酸 f d a f l u o r e s c e i i ld i a c e t a t e 荧光双醋酸酯 一v 一 气孔对活性阜0 介寻的胁追信号反应的分子和生理棚哺f 研究 g l c g l u c o s e葡萄糖 g o l s lg a l a c t i n o ls t h a l s el 肌醇半乳糖菅合成酶l g u sb g l u c o m n i d a s e b 葡糖苷酸酶 2 7 二氯二氢荧光素乙 h 2 d c f d a 2 7 d i c h i o i i o d i h y d r o f l u o r e s c i nd i a c e t a t e 酰乙酸 h 2 0 2h y d r o g e np e r o x i d e 过氧化氢 h k t l h 讪a f f i n 时k n 狮s p o n e r高亲和性k 转运体 h s eh e a ts h o c ke l e m e n t 热激元件 h s f s h e a ts 臼 e s s 们m s c r i p t i o nf a c t o r s 热激转录冈子 h s p h e a ts t r e s s p r o t e i l l 热激蛋白 h s rh e a t 蛐r e s sr e s p o n s e热激反应 c 0 2 反应叶片温度升高 励 h 诎l e a ft e m p e r a t l 鹏r e s p o n s et 0c 0 2 突变体 i i l d u c t i v e l yc o u p l e dp l 觞m ao p t i c a l e m i s s i o n电感耦合等离子发射光 i c p s p e c 口o m e 姆 谱仪 i p 3 i n o s i t o l l 4 5 仃i p h o s p h a t e 肌醇三磷酸 异丙基 p d 硫代半乳糖 i p t g i s o p r o p y h h i o p d g a l a c t o p y 啪o s i d e 苷 k a nk 锄锄y c i n 卡那霉素抗性 低亲和力内向k 十通道蛋 k i r ck i i l w a r dr e c t i 匆i n gc h a i l i l e l s 白 低亲和力外向k 离子通 k o r c sk o u t w a r dr e c t i 匆i l l gc h a 肌e l s 道 l s c ml 雒e rs c 锄i n gc o n f o c a lm i c r o s c o p y 激光共聚焦扫面显微镜 m a nm a n n i t o l甘露醇 m a p k m i t o g e n a c t i v a t e dp r o t e i i lk i i l a l s e 促分裂源活化蛋白激酶 m b p m y e l i nb a l s i cp r o t e i l l 髓鞘碱性蛋白 m d am d a 丙二醛 m e s 2 n m o 叩h o l i n oe t h 柚e s u lf o n i ca c i d 2 n 一吗啡啉 乙烷磺酸 n cn i 订0 c e l l u l o s e 硝酸纤维素膜 n c sn e u r o n a lc a 2 十s e n s o r动物神经钙传感器 n d p k 2n d p k i n a s e2 核苷二磷酸激酶2 n e s n u c l e a re x p o n s i g n a l 核输出信号 n h x n a h e x c h a n g e r n a 十 h 反向转运体 n l sn u c l e a rl o c a l i z a t i o ns i g n a l 核定位信号域 一v i 河南大掌2 0 0 8j 营研究生 睁士掌位论文 n o r c sk o u t w a r dr e c t i 矽i i l gc h a r u l e l s外向非选择性离子通道 o s t l o p e ns t o m a t al 气孔开放调节基因l p h o t l p h o t 2 p h o t o 仃o p i n l 2 向光性基因突变体1 2 p k s p r o t e i l l k 洫舔es 蛋白激酶s p o d p e r o x i d a s e 过氧化物酶 p p 2 c p r o t e i np h o s p h a t 弱e2 c 蛋白磷酸酶2 c r f or a 仟i n o s ef a m yo g o s a c c h ar i d e s 棉子糖系列寡糖 i 酬a s e ar i b o n u c l e a s ea 核糖核酸酶a r o sr e a c t i v e0 x y g e ns p e c i e s 活性氧 r p t 2r o o tp h o t o n o p i s m2 根向光性基因2 r r p c r r e v e r s e 胁s c r i p t a s ep o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n逆转录p c r s a s a l i c y l i ca c i d 水杨酸 s c a b p ss o s 3 一l i l ec a l c i 啪b i l l d i i l gp r o t e i n s s o s 3 类似钙结合蛋白 s d ss o d i u md o d e c y ls u l f a t e 十二烷基磺酸钠 s o d s u p e i 0 x i d ed i s m u t a s e 超氧化物歧化酶 s o ss a l to v e n ys e n s i t i v e 盐胁迫超敏感 啊s 啊s h y d r o x y l m e m y l 狮i n o m e t l l 觚e三 羟甲基 氨基甲烷 v i c s v o l t a g ei i l d 印e n d e n tc h 锄e l s 不依赖电压的离子通道 w t w i l d t y p e 野生型 5 溴 4 氯 3 一吲哚 b d x g a l5 一b r o m o 4 c h l o r 0 3 i i l d o l y l b d g a l a c t o s i d e 半乳糖苷 b 鸣a lb 唱a l a c t o s i d a s e b 半乳糖苷酶 一v i l 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出博士学位中请 本人郑重声明 所呈交的学住论文是 本人在导师的指导下独立完成的 对所研究的课题有创造性的见解 据我所知 除文中特别加以说明 标注和致谢的地方外 论文中不包括其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包括其他人为获得任何教育 科研机构的学位或证书 一 嚣霹簿蠹 涉及保密内容的学位论文在解密后 学位获得者 学位论文作者 2 0 年 月 臼 学位论文指导教师签名 上三虢 7 2 0年 月 日 河南大掌2 0 0 8j 量研究生博士学位论文 第一部分引言 第一章植物对非生物胁迫反应及信号转导 植物和其他复杂的多细胞生物体重要的 别是植物一生固定不动 因而 植物必须忍受 环境的挑战 如土壤盐渍化 干旱和高温和低温 很清楚 盐 干旱和温度变化 每一种刺 激所引起植物相应的反应都是不同的 但是 这些环境变化也引起一些共同的反应 s h i n o z a k i 锄dy a m a g u c h i s h i n o 殂k i 1 9 9 7 也许是由于这些共同的特征和其他方面的共同反应 常常 将这三类环境胁迫的分子机制放在一起讨论 z h u 2 0 0 1 植物对盐 干旱和温度的反应几 乎涉及植物生理和代谢的每一方面 因而 植物存在着一种复杂的信号网络 以应答这些不 同的环境胁迫 环境胁迫 如盐和热激等 和植物激素a b a 可以引起植物体内h 2 0 2 升高 这成为细胞连 接外界环境刺激的重要枢纽之一 众所周知 保卫细胞具有非常灵敏的感受外界信号变化的能 力 比如在干旱条件下 植物地上部分还未检测到任何水分变化时 植物气孔已迅速关闭 l u 锄 2 0 0 2 弄清植物对外界因子的反应机理 不仅有利于阐明其基本的生物学特征 而且对农 业生产极为重要 微生物和动物细胞中 已经建立了许多信号转导网络 在植物中 已经阐明了光 几个植 物激素及病原发病机制信号转导途径 几十年来 人们在生理及分子生物学研究作出了很多 努力 研究植物如何感受和传递低温和高温 干旱和盐碱化的信号 目前已经取得了很多进 展 我们主要将盐和高温胁迫下植物信号转导加以叙述 然后分析非生物胁迫信号的感受和 气孔运动可能的关系 一 植物高温胁迫反应及其信号转导 生物体受到高温胁迫后 会产生一系列的应急反应 其中热激蛋白 h e a ts h o c kp r o t e i l l h s p 会在体内迅速积累 并协助相关蛋白折叠 细胞内分配及降解 h a n l e ta 1 2 0 0 2 y o 叽g e ta 1 2 0 0 3 使植物体在逆境中得以生存 这类热激蛋白基冈在热胁迫条件下的表达是受一 类专门的转录因子 热激转录因子 h e a ts 晚s s 怕n s c n p t i o nf k t o r s h s f s 调控的 它们在脚 基刚转录时可与其启动子区热激元件 h e a ts h o c ke l e m e n t h s e 这一保守d n a 序特异性结合 从而调控热激蛋白基冈的开启与关闭 实现其相应的生物学功能 p e l h 硼 e ta 1 1 9 8 2 p e r i s i c e t l 一 气孔对活性每 介导的胁追信号反应的分子和生理机制研究 a l 1 9 8 9 1 热激蛋白 网着生长的植物时时刻刻都面临着环境温度变化引起的逆境胁迫 植物在长期的进化过 程中形成了一套抵御高温胁迫的反应机制和生理适应能力 称之为热激反应 h e a ts 仃e s s r e s p o n s e h s r 植物体内h s p s 合成和积累是植物提高抗高温胁迫的关键 植物体内热激蛋 白的合成受h s f s 调控 热激蛋白最早由r i t o s s a 于1 9 6 2 年在果蝇体内发现 并将此类蛋白命名 为h s p s 后来研究发现 这种现象也出现在植物体内 除热胁迫以外 其它环境胁迫因子如 干旱 低温 重金属离子等也会诱导植物体内h s p s 的大量合成 b r y 锄 1 9 9 4 热激蛋白是 最早分离的受高温胁迫强烈诱导的一类蛋白质 热激蛋白包括h s p l 0 0 c l p b h s p 9 0 h t p g h s p 7 0 d n a k h s p 6 0 g r o e l 和小分子蛋白s h s p 另外 一些新的热激蛋白被不断的发现和鉴 定 g o l s 家族在热激反应中可以大量表达 同时也参与干旱 高盐和冷胁迫等多种非生物胁迫 的反应 热激蛋白基冈家族比较复杂 许多热激蛋白是植物正常生长发育必须的 n a l 锄o t 0 e t a 1 2 0 0 7 l a r k i i l d a i e e ta 1 2 0 0 5 热激蛋白在细胞内的分布比较广泛 在多种细胞器中都有 分布 其中包括细胞质 叶绿体 线粒体和内膜系统 e r i c e ta 1 2 0 0 2 部分h s p s 可与细胞 膜相结合 参与细胞膜系统对高温 干旱反应和调节作用 从细菌 植物到动物 热激蛋白 的同源性都很高 冈此热激蛋白是比较保守的蛋白家族 热激蛋白一般以分子伴侣的形式参与基本的调节反应 图1 1 即协助蛋白质跨膜运输 防止蛋白质前体积累 与未折叠蛋白质形成络合物以维持其转移能力 维持蛋白质的正常折 叠状态 促进错误折叠的蛋白质降解 在蛋白质从头折叠及应激条件下能起到稳定多肽链 防止蛋白质失活的作用 热激蛋白参与靶蛋白的活性和功能调节 却不是靶蛋白的组成部分 e l l i s e ta 1 2 0 0 0 f o 丌e i t e r 锄dn o v e r l9 9 8 h a n la i l dh a y e r h a r t l 2 0 0 2 h 舔l b e c k e ta 1 2 0 0 2 y o u l l g e ta 1 2 0 0 3 s o l l 锄ds c h l e 喊2 0 0 4 w e g e l e e ta 1 2 0 0 4 热激蛋白本身不包含调节蛋白 正确折叠的任何信息 但是可以阻止蛋白分子之间能够引起不正确聚集的相互作用 这种蛋 白不同于一般意义的可催化蛋白内氨基酸缩合的异构酶和二硫键形成的异构酶 s c h m i d e ta 1 1 9 9 5 g e t l l i i l g e ta 1 1 9 9 7 g 0 t h e l 锄dm a r h i e l 1 9 9 9 h e e ta i 2 0 0 4 t u 觚dw e i s s m a i l 2 0 0 4 k a d o k u r a e ta 1 2 0 0 3 一般认为 热激蛋白的分子伴侣作用主要表现在以下几个方面 g 劬i n g 锄ds 锄b r o o k 1 9 9 2 g e t l l i n g e ta 1 1 9 9 7 第一 新合成的氨基酸多肽链从核糖体出现后 分子伴侣可以保 证维持其处在具有折叠能力的状态 直至整个氨基酸序列肽链形成 第二 由于完全折叠的 蛋白不能够跨膜移动和改变位置 分子伴侣可以维持或者产生一个分折叠小片段 引导蛋白 一2 一 河龠大掌2 0 0 8 届研究生博士掌位论文 重新定位线粒体和质体等位点 b m u n 锄ds c h m i t z 1 9 9 9 n e u p e r ta i l db r u n n e r 2 0 0 2 r e h l i n g e t a i 2 0 0 3 w i e d e m 猢 e ta 1 2 0 0 4 s o i l 锄ds c h l e 氓2 0 0 4 三 可以稳定被物理和化学因素破 坏蛋白质 促进蛋白在恢复期的复性或降解 第四 帮助和控制多蛋白复合体的组装和解体 l 0 r i l l l e r 2 0 0 l k h e ta 1 2 0 0 2 近年来的很多研究结果表明 h s p s 家族成员都可作为分 子伴侣协同调节反应 b u k a ua n dh o 州i c h 1 9 9 8 w a l t e r 弛db u c l l i l e r 2 0 0 2 y o u n e ta 1 2 0 0 3 w e 2 e l e e ta 1 2 0 0 4 不同h s p 分子伴侣复合体之间存在相互作用 这样形成了一个蛋白质合 成 组装和定位的复杂网络 f 叫d m 锄 e ta 1 2 0 0 1 j o l l l l s o n 锄d c r a i g 1 9 9 7 f 伽r e i t e r 锄d n o v e r e ta 1 1 9 9 8 l e e 柚dv i e r l i n 2 0 0 0 图l i 以h 印7 0 为例揭示胞质内分子伴侣的协调作用网络作用机制 f i g i l 托l 1 c o o p e r a t i o n i i i t f i e c h a p e r o n e n e t w o r k e x e m p l i f i e d f o r t i l er 0 i e o f h s p 7 0c h a p e r 伽e m a c h i l l e s i l l t l i e c o p l i n e r 锄do 唱锄e l l e sf o r 舯o t e i i li m p 矾 b 孤i w a i e ta 1 2 0 0 4 2 热激转录因子 热激蛋白基因在热胁迫条件下表达是受一类专门的转录因子h s 砖调控的 它们在脚基因 转录时可与其h s e 这一保守基因序列特异性结合 从而调控热激蛋白基因的开启与关闭 完成 其相应的生物学功能 p e r i s i c e ta 1 1 9 8 9 n o v e r e ta 1 1 9 9 6 h s f s 是调控脚s 的表达和其他热激诱导转录信号途径的最后一个环节 植物体拥有多个 热激转录因子编码基因 比如拟南芥有2 1 个热激转录因子 番茄 水稻 大豆等植物则分别 含有1 8 2 3 和3 4 个h s f s 基因 是一个大的基因家族 n o v e r 1 9 9 6 k o t a l 2 0 0 4 植物热激转 录因子基因包含3 个保守的区域 植物h s f s 作为一类转录因子 具有转录因子的一般结构 d n a 结合域 d b d 寡聚域 0 d 核定位信号域 n l s 但只有一些具有c 末端的激活域 1 一 气孔对活性簟 介导的胁迫信号反应的分子和生理机制研究 c t a d 并且有的植物h s f s 还具有核输出信号 n e s 在这些结构中d b d 和o d 最具保 守性 n o v e r e ta 1 2 0 0 1 对h s f s 的认识主要来源于对番茄和拟南芥的研究工作 在番茄中 h s 趴1 a h s f a 2 和h s m l 几乎已经形成调控热激反应基因表达的调节网络 b a n i w a l 2 0 0 4 h s f a l a 是组成性表达基困 参与调节热激反应中h s 眺和h s f b l 的表达 因此 h s f a l a 被认为是番茄热激反应的主要调节 基因 m i s h r a e ta 1 2 0 0 2 h s 趴l a 和h s 眺作用并形成h s f a l a h s f a 2 异源低聚复合体 也作 为一个核内能量维持因子和h s f a 2 的协助激活子 h s f a 2 被认为是细胞耐热的主要热激转录因 子 h s f b l 被认为是a 类热激转录因子的协同激活子 通过h s f a 2 基因敲除突变体分析表明 主要在热激反应早期的的基冈表达过程中发挥作用 而h s 眦控制持续高温胁迫相关的基因的 表达 l o h m 肌n e ta 1 2 0 0 4 b u s c he ta 1 2 0 0 5 s c h r a m m e ta 1 2 0 0 6 n i s h i z a w a e ta i 2 0 0 7 番茄中h s f a 2 的表达受h s f a l a 或h s f a l b 又称h s f 3 的调节 在拟南芥中 h s f a 2 的表达不受 h s f a l a 或h s f a l b 的调节 b u s c h e ta 1 2 0 0 5 而是被强光和h 2 0 2 调节 n i s h i z a w a e ta 1 2 0 0 7 a s a 过氧化物酶 a p x 2 是氧化胁迫反应中关键的酶 a p x 2 表达调节和h s 认2 紧密相关 h s f a 4 a 和h s 俄8 被认为是活性氧 r o s 的感受器 d a v l e t o v a e ta 1 2 0 0 5 在拟南芥和水稻 中 h s 俄5 可作为抑制h s 俄4 的抑制剂 b 狮i w a l e ta 1 2 0 0 7 h s 执3 被d r e b 2 a 调节 d r e b 2 a 是脱水反应的转录调节因子 s a l 啪a e ta 1 2 0 0 6 该实验结果为建立热激和干旱以及其他 非生物胁迫的联系提供了支持 h s f a 9 目前只发现其在种子的发育过程中其作用 并不参与环 境胁迫反应 因此植物的热激转录因子功能和作用的多样性表明 h s f s 可能广泛参与不同的 生理和反应过程 3 热激反应信号转导 实验表明 多种信号转导途径参与植物的热激反应 虽然不同的信号途径影响和调节的 对象不同 但他们之间存在交叉 共同协调植物的抗高温反应 图1 2 氧化胁迫信号已被越来越多的实验证明是植物体广泛存在的抗逆反应关键信号 高温胁 迫可以快速的诱导植物体h 2 0 2 猝发和n a d p h 氧化酶的活性提高 v a c c e ta 1 2 0 0 4 并伴 随着诱导热激反应相关基因的表达 h 2 0 2 和维生素k 预处理植物可以增加植物抗热激的能力 l a r k i n d a l e e ta 1 2 0 0 5 n a d p h 氧化酶的两种缺失突变体 彳砌d 柚觚d 彳护6 d j i z d 失去了 抵御高温的能力 另外 玉米线粒体缺失突变体的呼吸作用减弱 并伴随着相应的搬p s 基冈 表达的被上调 k u 砷i n e ta 1 2 0 0 4 r o m 锄 2 0 0 6 等发现 h 2 0 2 可以促进热激转录因子与 h s e 结合 热激胁迫产生的h 2 0 2 是热激相关基因表达所必需的 因此 虽然很多细节的问题还不 清楚 但是活性氧信号参与热激反应的过程还是比较肯定的 并被认为很町能是除热激转录 河龠大掌2 0 0 8j 重研究生博士掌位论文 因子和热激蛋白之外的又一重要的抗高温调节途径 c a 2 依赖的信号转导广泛参与植物的抗逆反应 已有实验表明 热激町以诱导胞质c a 2 的 浓度增加 而用c a 2 溶液预处理玉米细胞 在室温条件下可以增加h s f s 的d n a b i i l d i n g 钙离 子的螯合剂可以拟制高温诱导的h s f b i i l d i n g 活性 l i e ta 1 2 0 0 4 胞质c a 2 上游的信号分子 i p 3 的活性可被热激诱导 l i u e ta 1 2 0 0 6 c a 2 信号也参与了植物的热激反应 热激诱导的 拟南芥磷酸酶 a t p p 7 参与抗高温反应过程中 而c a m 和h s f 蛋白的互作是诱导h s p 7 0 和 h s p l o l 所必需的 l i u e ta 1 2 0 0 7 因此 c a 2 信号系统可能参与抗高温胁迫的反应中 另外 也有实验表明 a b a 乙烯和水杨酸等信号分子有可能参与植物的抗高温胁迫反 应 l a r k i n d a l e 觚dh u 锄g 2 0 0 4 l i u e ta 1 2 0 0 6 c l a r k e e ta 1 2 0 0 4 s u z u l i e ta 1 2 0 0 5 l a r k i n d a l e e ta 1 2 0 0 5 但实验数据却是零散的不系统的 需要更多的实验支持 图卜2 抗高温胁迫反应中的信号转导途径及其相关的转录因子 f i g l l r e1 2 o v e r v i e wo f s i g n a l i f i gp a m w a y s 锄df l a c t o r si l i v o l v e di i lt l l e n n o t o l e r 鲫c e s a c h i i lk o t a ke ta 1 2 0 0 7 二 盐胁迫信号转导机制 植物体内维持较低浓度n a 状态是植物进行正常生理所必须的 过多的胞质n a 会对植物 造成严重的伤害 即便是生长在高盐土壤中的盐生植物 h a l o p h y t e s 也是如此 t e s t e r 锄d d a v e n p 积 2 0 0 3 盐胁迫对植物伤害的根本原因由于超出细胞所需的盐离子所引起的 植物 一5 一 气孔对活性氧 介导的胁追信号反应的分子和生理机制研究 生长环境中过多的盐分对植物造成的胁迫主要包括 渗透胁迫 离子毒害和离子不平衡和营 养缺乏 植物生长受抑制 光合下降和能耗增加 加速发育和衰老 长期盐胁迫下植株最终 会因饥饿而死亡 h a g e m 龃n 觚de r d l n 锄n 1 9 9