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铝胁迫下NO对大豆根系柠檬酸分泌的调控机制

铝胁迫下NO对大豆根系柠檬酸分泌的调控机制

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作者：侯俊杰河南师范大学

学位级别：硕士

酸性土壤(pH<5.0)中,铝胁迫是制约植物生长和农作物产量的主要限制因子。植物能够分泌有机酸(如柠檬酸、草酸、苹果酸)来缓解铝毒害。一氧化氮(NO)不仅参与了植物生长发育的调控,在逆境胁迫中也扮演着重要角色。实验室前期研究结果表明... 详细信息

酸性土壤(pH子。植物能够分泌有机酸(如柠檬酸、草酸、苹果酸)来缓解铝毒害。一氧化氮(NO)不仅参与了植物生长发育的调控,在逆境胁迫中也扮演着重要角色。实验室前期研究结果表明,NO参与了铝诱导的根系柠檬酸的分泌。但是,对于NO是如何调控柠檬酸分泌的机制还不清楚。本研究以大豆为实验材料,探究了铝胁迫下柠檬酸代谢途径和柠檬酸转运两个方面与根系柠檬酸分泌的关系,并进一步研究了铝胁迫下NO对柠檬酸代谢途径和柠檬酸转运的调节作用。主要结果如下:1、铝胁迫下大豆根系柠檬酸分泌模式结果显示,随着铝浓度(0、10、25、50、100μM)的增加和处理时间(0、3、6、9、12、24 h)的延长根系柠檬酸分泌量逐渐增加;根尖分段(0-5、5-10、10-15、15-20 mm)结果显示,铝胁迫下柠檬酸分泌主要集中在根尖0-5 mm区域。说明铝胁迫诱导了根系柠檬酸的分泌。2、铝胁迫处理增强了根尖柠檬酸合成酶(CS)活性,抑制了顺乌头酸酶(ACO)的活性;qRT-PCR结果显示,铝胁迫处理增强了CS和ACO基因表达水平。铝胁迫下运用CS抑制剂(Sur)处理显著降低了根系柠檬酸的分泌量,而运用ACO抑制剂(FCA)处理则显著增强了根系柠檬酸的分泌量。说明柠檬酸代谢途径参与了铝诱导的柠檬酸分泌。3、铝胁迫处理增强了根尖质膜H-ATPase活性和基因表达水平。铝胁迫下运用质膜H-ATPase激活剂(Fus)处理增强了酶活性和根系柠檬酸的分泌量,而用质膜H-ATPase抑制剂(Va)处理后,质膜H-ATPase的酶活性降低,大豆根系柠檬酸的分泌量减少。说明质膜H-ATPase参与了铝诱导的柠檬酸分泌。4、利用生物信息学手段,从大豆117个MATE基因中筛选出了2个铝胁迫响应的柠檬酸转运子候选基因MATE13(Glyma.02G181800.1)和MATE47(Glyma.09G102800.1)。qRT-PCR分析结果显示,铝胁迫处理主要增强了根中MATE13和MATE47的表达水平。亚细胞定位显示MATE13和MATE47位于细胞膜上。在爪蟾卵母细胞中表达MATE13和MATE47并微注射C标记的柠檬酸发现,MATE13和MATE47可以介导柠檬酸的转运。说明MATE13和MATE47是2个铝诱导的柠檬酸转运子基因。5、铝胁迫处理增强了根尖NO的产生和根系柠檬酸的分泌,外源NO处理则进一步增加了铝诱导的根系柠檬酸的分泌,NO清除剂处理则抑制了铝诱导的根系柠檬酸的分泌,表明NO介导了铝诱导的大豆根系柠檬酸的分泌。另外,铝胁迫下,外源NO处理可降低根尖铝的积累,NO清除剂处理则增加了根尖铝的积累。6、铝胁迫下,外源NO处理增加了CS和质膜H-ATPase活性,降低了ACO活性;NO清除剂处理则抑制了CS和质膜H-ATPase活性,增加了ACO活性。qRT-PCR结果显示,NO增强了CS和质膜H-ATPase基因表达,而对ACO基因表达则无显著影响。另外,铝胁迫下NO正调了MATE13和MATE47的基因表达。说明铝胁迫下NO调节了柠檬酸代谢途径和柠檬酸转运途径。综上所述,铝胁迫下NO通过正调根尖柠檬酸的合成量(增强CS活性和抑制ACO活性)以及活化柠檬酸的转运途径(质膜H-ATPase和柠檬酸转运子)增强了大豆根系柠檬酸的分泌,从而提高了大豆对铝毒的耐受性。

关键词：铝胁迫一氧化氮柠檬酸分泌柠檬酸代谢质膜H+-ATPase 柠檬酸转运子

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