外源镧增强根胞吞作用对拟南芥暗形态建成的影响

作     者：刘腊梅 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王丽红

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：镧 胞吞 暗形态建成 乙烯 光生长 

摘      要：稀土元素(Rare Earth Elements,REEs)在各领域的广泛应用已造成严重的环境污染问题。植物作为生态系统中的初级生产者,由于其定植属性直接暴露于环境中的REEs,吸收和累积REEs于体内,进而将REEs随食物链传递至人体内,损害人体健康。为了生态安全和人类健康,明晰REEs作用于植物的机制是建立REEs在可食用植物体内限量标准的首要工作。REEs作用于植物的机制受植物生长阶段影响,现有研究集中于种子萌发、营养生长、生殖生长和产量形成等阶段。暗形态建成作为植物种子在土中萌发后所经历的第一个发育阶段,是保证幼苗正常生长发育的必要条件。由此产生的关键问题是,REEs是否影响植物的暗形态建成?如何影响?为解决这些问题,本文选取野生型拟南芥(Col-0)、CLC1-GFP转基因株、DEX诱导的venus-CANTH转基因株(抑制网格蛋白介导的胞吞作用)、AP2各亚基突变体(ap2α,ap2β,ap2μ和ap2σ,各亚基功能缺失)以及ein3/eil1双突变体[抑制乙烯(ETH)信号]为研究对象,以环境中累积量高的镧[La(Ⅲ)]为REEs代表,探究外源La(Ⅲ)对拟南芥暗形态建成的影响和机制。主要结果如下:(1)发现了外源La(Ⅲ)可通过调控AP2作为适配体的网格蛋白介导的胞吞作用(AP2-CME)影响拟南芥暗形态。15～480μM La(Ⅲ)可抑制暗生长的Col-0下胚轴伸长、增大顶端弯钩弯曲角度和降低原叶绿素酸酯(Pchlide)含量。同时,15～120μM La(Ⅲ)增强Col-0根细胞AP2-CME,60μM La(Ⅲ)时增强作用最强;240～480μM La(Ⅲ)抑制Col-0根细胞AP2-CME,抑制强度随La(Ⅲ)剂量增加而增强。相关性分析结果显示,La(Ⅲ)对Col-0暗形态建成的影响与AP2-CME有关。接下来利用遗传学方法把AP2-CME抑制(ap2α,ap2β,ap2μ和ap2σ突变体)后观测La(Ⅲ)对突变体暗形态建成的影响,发现La(Ⅲ)对突变体暗形态建成的影响程度小于Col-0。相关性分析和遗传学验证确定:15～120μM La(Ⅲ)通过增强AP2-CME来抑制拟南芥下胚轴伸长、增大顶端弯钩弯曲角度和降低Pchlide含量;240～480μM La(Ⅲ)通过抑制AP2-CME来抑制下胚轴伸长、增大顶端弯钩弯曲角度和降低Pchlide含量。(2)揭示了外源La(Ⅲ)通过AP2-CME影响拟南芥暗形态建成的ETH信号机制。暗条件下,15～120μM La(Ⅲ)增强的AP2-CME增加Col-0 ETH含量和乙烯不敏感3(EIN3)蛋白水平;240～480μM La(Ⅲ)抑制的AP2-CME降低Col-0内源ETH含量和EIN3水平。相关性分析结果显示,La(Ⅲ)调控拟南芥AP2-CME诱导的ETH信号(ETH含量和EIN3水平)与Col-0暗形态建成有关。接下来采用遗传学方法(ap2α,ap2β,ap2μ,ap2σ突变体,ein3/eil1双突变体)发现,15～480μM La(Ⅲ)和一氨基环丙烷一羧酸恢复了La(Ⅲ)对Col-0 ETH含量、EIN3蛋白水平和暗形态建成的影响。相关性分析和遗传学验证确定:15～120μM La(Ⅲ)增强拟南芥AP2-CME促进内源ETH和EIN3水平抑制下胚轴伸长、增大顶端弯钩弯曲角度和降低Pchlide含量;240～480μM La(Ⅲ)抑制拟南芥AP2-CME抑制内源ETH和EIN3水平抑制下胚轴伸长、增大顶端弯钩弯曲角度和降低Pchlide含量。(3)探寻到了外源La(Ⅲ)调控的拟南芥暗形态建成对其光下生长的影响规律。15～120μM La(Ⅲ)通过增强暗生长拟南芥AP2-CME促进ETH,降低下胚轴长度和Pchlide含量,以及增大顶端弯钩弯曲角度,加快了光下弯钩打开和绿化,增加叶绿素含量、PSII最大光化学量子产量、PSII量子效率、表观电子传递效率、光合反应电子传递能力和实际光化学效率,降低初始荧光、最大荧光产量和以热形式耗散的光能,从而增强了胞间CO浓度和表观光合量子效率,增强净光合速率;240～480μM La(Ⅲ)通过抑制暗生长拟南芥AP2-CME促进ETH,降低下胚轴长度、Pchlide含量,虽增大顶端弯钩弯曲角度,但减慢了光下弯钩打开和绿化,降低叶绿素含量、PSII最大光化学量子产量、PSII量子效率、实际光化学效率、表观电子传递效率和以热形式耗散的光能,增强初始荧光、最大荧光产量和以热形式耗散的光能,降低胞间CO浓度和表观光合量子效率,最终降低净光合速率。综上所述,本研究表明La(Ⅲ)可通过调控AP2-CME诱导内源ETH信号而影响其暗形态建成,并且La(Ⅲ)调控的暗形态建成进一步可影响后期拟南芥光下生长。该发现可为专业组织对REEs安全作出的客观评价提供科学依据以及向“农业可食用植物中REEs限量标准的科学建立等提供参考。