H2S与SO2延缓大麦糊粉层细胞程序性死亡的信号机制研究

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H2S是在动物体中发现的继NO、CO之后的气体信号分子。近年来,已有大量文献报道H2S在植物的多种生理和病理过程中行使着重要的调节功能(诸如根形态建成、种子萌发、气孔运动、光合作用、胁迫响应、果实成熟衰老、植物衰老和死亡)等。本文以大麦糊粉层为材料,研究H2S对大麦糊粉层细胞程序性死亡的作用。实验结果表明,0.25 mM H2S供体NaHS能明显延缓去胚的大麦糊粉层细胞的死亡,显著降低大麦糊粉层中超氧阴离子(·O2-)、过氧化氢(H2O2)及丙二醛(MDA)等膜脂过氧化产物的含量,提高超氧化物歧化酶(SOD),过氧化氢酶(CAT),愈创木酚过氧化物酶(POD),抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性,降低脂氧合酶(LOX)的活性。RT-PCR的结果表明,H2S处理可以促进SOD基因HvSOD1,APX基因HvAPX, CAT基因HvCAT1和HvCAT2以及半胱氨酸蛋白酶抑制基因HvICY表达,抑制LOX基因HvLOX和半胱氨酸蛋白酶HvEPA、HvCP3-31基因的表达。赤霉素(GA)是一种植物激素,在谷物类种子萌发过程中能促进胚的生长,并能加速糊粉层细胞的死亡。研究发现,H2S抑制GA诱导的大麦糊粉层细胞死亡,降低糊粉层中超氧阴离子(·O2-)的含量,提高愈创木酚过氧化物酶(POD)的活性,抑制脂氧合酶(LOX)的活性。H2S能作为抗氧化剂显著延缓大麦糊粉层细胞死亡,而且在正常条件和GA刺激的条件下都能延缓细胞死亡,说明这H2S延缓植物细胞程序性死亡的效果具有普遍性。  SO2也被认为是一种新型的气体信号分子。植物体中,植物吸收的无机SO42-,先形成SO32-,再进一步还原生成H2S,最终合成自身的半胱甘酸为植物体所利用。前期研究表明,在铝或干旱胁迫下,SO2信号能显著提高小麦种子萌发率并提高种子中内源H2S的含量。因此,SO2可能参与了种子萌发进程及抗逆反应中内源H2S的信号转导途径。本文采用H2S的荧光探针结合荧光显微技术发现,与对照组相比,SO2供体处理的糊粉层中具有较高水平的H2S信号;同时,荧光分光光度法也验证了上述结果。本文研究发现,SO2供体能显著延缓20μM GA诱导的大麦糊粉层细胞凋亡进程,且呈现一定的浓度效应,当SO2供体的浓度为0.05 mM时,效果最佳。0.05 mM SO2供体能减少大麦糊粉层细胞内·O2-和H2O2及MDA的含量,促进SOD,CAT,POD,APX,谷胱甘肽还原酶(GR),脂氢过氧化物裂解酶(HPL)活性的升高,降低LOX的活性。而且在分子水平上提高SOD基因HvSOD1,APX基因HvAPX,CAT基因HvCAT1,HvCAT2和半胱氨酸蛋白酶抑制基因HvICY基因的表达量,下调HvLOX和HvEPA、HvCP3-31的表达量。NO已被证明是植物中一种重要气体信号分子,能促进种子萌发,延缓GA刺激的糊粉层细胞死亡进程。SO2供体处理的糊粉层中,也检测到了较高水平的NO含量。表明NO信号也介导了SO2作为抗氧化信号分子显著延缓大麦糊粉层细胞的凋亡进程。  大麦种子胚乳中贮藏的大量β-淀粉酶,萌发早期β-淀粉酶可快速水解淀粉质胚乳,为早期的种子萌动提供营养。对β-淀粉酶研究结果表明,H2S能明显提高大麦种子早期萌发过程中的的β-淀粉酶的酶活。在早期萌发过程中H2S不能提高α-淀粉酶活性;对游离态β-淀粉酶酶活提升有轻微的促进作用;对结合态β-淀粉酶的促进作用显著,而且不同浓度的处理结果表明H2S对结合态β-淀粉酶的促进作用随浓度的升高而逐渐增强,在0.8 mM时最强;H2S促进酶活最佳时间是9小时;但H2S不能激活β-淀粉酶的游离态单体。在种子萌发中后期,大麦糊粉层细胞分泌α-淀粉酶,α-淀粉酶能将贮藏的淀粉分解成小分子营养物质,为胚的生长提供营养。本文研究发现,H2S供体在0.05-0.5 mM的范围内均能显著促进α-淀粉酶的分泌,其促进作用随浓度升高而增强。  与H2S相似,SO2也可以提高大麦种子早期萌发过程中的的β-淀粉酶的活性;对游离态β-淀粉酶的活性略有提升;显著促进结合态β-淀粉酶活性上升,且在一定的浓度范围内,SO2浓度越高,结合态β-淀粉酶酶活越高,0.8 mM SO2处理9小时,促进效果最好;同样SO2也不能提高β-淀粉酶单体的活性;促进种子萌发中后期大麦糊粉层细胞α-淀粉酶的分泌,并且呈一定的浓度效应,最适浓度为4.0 mM。  总之,H2S和SO2作为气体信号分子,在大麦萌发后期,作为抗氧化剂显著延缓糊粉层细胞死亡;萌发早期,提高大麦种子早期萌发过程中的的β-淀粉酶的活性;在萌发中期,促进大麦糊粉层细胞α-淀粉酶的分泌。
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