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目前已发现一氧化氮、一氧化碳和硫化氢可作为气体信号分子,在动植物生长和发育过程中,尤其在机体对抗外界非生物胁迫抗/耐性形成过程中起到非常重要的调控作用。细胞内诱导产生的信号分子可以调节下游基因的表达或信号级联放大,激活胞内的抗氧化以及其它解毒系统。本文通过血红素加氧酶-1(HO-1)诱导剂和硫化氢处理发现,两者都有调节镉胁迫下谷胱甘肽稳态和抗氧化酶系统的作用,并进一步研究了其诱导机制及其与氧化还原稳态的关系及其对镉耐性的影响,主要获得如下研究结果:1.用0-500 μmol/L不同浓度镉处理发现,紫花苜蓿根部还原型谷胱甘肽(GSH)含量随处理浓度增加逐步下降,同时HO-1的转录本和蛋白水平也随镉浓度增加而升高;通过与巯基结合的试剂(DEM)模拟谷胱甘肽耗竭及运用谷胱甘肽合成抑制剂(BSO)的实验发现,镉诱导的HO-1表达与谷胱甘肽耗竭有关;同时HO-2的基因表达则没有明显变化。进一步通过转录抑制剂放线菌素D和翻译抑制剂放线菌酮处理,对HO-1转录本变化的观察显示,HO-1基因表达在转录水平和翻译水平(尤其在翻译水平)上受到谷胱甘肽耗竭的诱导调节。另外,镉胁迫导致的谷胱甘肽耗竭与HO-1的诱导可以被外源添加GSH和还原型抗坏血酸(AsA)所逆转;2.水杨酸能诱导紫花苜蓿根部HO-1的表达及酶活性的增加,上述诱导效应均能被HO-1的抑制剂锌原卟啉(ZnPPIX)所抑制,尤其是抑制HO的活性。利用HO-1的催化产物进行回补实验证明,HO-1特异性介导水杨酸对镉胁迫间接引起的氧化伤害的缓解,并且HO-1催化产物中主要是一氧化碳的作用。利用高效液相色谱(HPLC)荧光法对紫花苜蓿根部小分子硫醇含量的测定及抗氧化酶SOD、POD和APX的活性结果显示,HO-1的诱导可以提高镉胁迫下的还原型小分子硫醇的含量,增加抗氧化酶的活性。荧光定量RT-PCR结果显示,诱导的HO-1活性增加了抗氧化酶APX1/2的转录和谷胱甘肽代谢相关基因的转录水平。通过对镉胁迫下氧化还原稳态的检查结果显示,HO-1的诱导调节了还原型与氧化型同型谷胱甘肽的比率(hGSH/hGSSGh)、还原型与氧化型抗坏血酸的比率(AsA/DHA)和还原型与氧化型辅酶I和辅酶II的比率(NADH/NAD+和NADPH/NADP+)。另外,HO-1的诱导减少了镉处理下紫花苜蓿根尖的镉含量,并降低了根尖ROS的积累;3.通过对硫化氢含量和半胱甘酸脱疏基酶活性测定发现,镉处理后硫化氢代谢和释放显著增加。根据紫花苜蓿根部(同型)谷胱甘肽含量和其还原型与氧化性的比值((h)GSH/(h)GSSG(h));加入谷胱甘肽的前体N-乙酰半胱氨酸后,氧化还原平衡失衡得到缓解,同时镉引起的硫化氢诱导水平下降。4.通过外源硫化氢供体(NaHS)、硫化氢合成相关酶抑制剂(PAG)和谷胱甘肽合成酶抑制剂(BSO)处理发现,NaHS处理增加了紫花苜蓿根部(h)GSH的含量,并减少了镉引起的(h)GSH/(h)GSSG(h)比值的下降。NaHS处理还增加了(h)GSH代谢相关基因谷氨酰半胱氨酸合成酶(ECS)、谷胱甘肽合成酶(GS)、同型谷胱甘肽合成酶(hGS)和谷胱甘肽还原酶(GR)的上调,并影响了 ROS代谢基因SOD、APX和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)的表达,从而控制根部的镉含量并减少根尖ROS的过量积累,最终产生对镉的耐性。供体及抑制剂实验证明,H2S和HO/CO信号系统之间可能存在互作,H2S供体处理能诱导HO-1的基因表达证明H2S可能通过调节HO/CO信号系统来起作用。