擬南芥MT2a和MPT家族調(diào)節(jié)脅迫耐性與生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)理.pdf

1、植物與其它多細(xì)胞復(fù)雜生物體的顯著區(qū)別在于植物固著生活，植物在生存和發(fā)育的整個(gè)生命周期中，面臨各種不利的外部環(huán)境（如土壤鹽害、干旱、澇害、低溫、高溫、病原菌侵襲、機(jī)械損傷等）。其中，高鹽和低溫是影響植物分布和作物產(chǎn)量的主要限制因子。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，植物形成了響應(yīng)脅迫和提高抗性的機(jī)制。植物感受脅迫信號(hào)之后，啟動(dòng)防御機(jī)制，包括物理結(jié)構(gòu)適應(yīng)（自身結(jié)構(gòu)改變和器官功能特性對(duì)鹽分的適應(yīng)）、胞內(nèi)滲透保護(hù)物質(zhì)（可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿等）含量增加、抗

2、氧化劑（如超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶、抗壞血酸酶等）的合成水平上升等等，使植物體內(nèi)建立新的物質(zhì)和能量代謝平衡，從而在脅迫環(huán)境下存活。
　　 在多種生物及非生物脅迫下，植物細(xì)胞中活性氧的產(chǎn)生加速而清除活性氧的能力下降，從而導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧水平的提高。另外，植物不同非生物脅迫抗性也是與其細(xì)胞內(nèi)具有的不同的抗氧化酶活性和內(nèi)源抗氧化劑含量相關(guān)的。目前研究表明，金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）在植物抗逆過(guò)程中起到清除R

3、OS的重要作用，然而，對(duì)于MT的作用機(jī)理，人們的研究仍然很有限。
　　 伴隨著多種生物及非生物脅迫（干旱、溫度變化、污染物、澇害），呼吸作用和光合作用有所減弱，隨后出現(xiàn)能量不足，從而引起一系列生理、代謝和分子水平上的事件發(fā)生，包括植物生長(zhǎng)的抑制，分解代謝的活化以提供營(yíng)養(yǎng)，生物合成酶類活性的降低等。因此能量代謝和植物脅迫耐性、存活率以及細(xì)胞的生長(zhǎng)和伸長(zhǎng)之間存在密切的聯(lián)系，控制能量代謝的平衡對(duì)于任何生物體的存活來(lái)說(shuō)都是一種挑戰(zhàn)。線粒

4、體是需氧細(xì)胞通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP的主要部位。在這個(gè)過(guò)程中，底物無(wú)機(jī)磷酸通過(guò)線粒體內(nèi)膜上的線粒體磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（Mitochondrial phosphate transporter/Phosphate Carrier，MPT/PiC）從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體基質(zhì)。但是人們對(duì)于植物MPT與逆境脅迫抗性及生長(zhǎng)發(fā)育之間的關(guān)系，仍不是很清楚。
　　 在模式植物擬南芥中，克隆得到了AtMT2a和MPT家族的三個(gè)成員，分別命名為AtMPT1、A

5、tMPT2和AtMPT3，對(duì)其表達(dá)模式和功能進(jìn)行分析：
　　 （1）AtMT2a受多種脅迫的誘導(dǎo)，其中，受低溫脅迫誘導(dǎo)最為明顯。與WT相比，在種子萌發(fā)階段mt2a對(duì)低溫脅迫更加敏感，在幼苗階段mt2a中積累更多的H2O2。說(shuō)明AtMT2a調(diào)節(jié)擬南芥的低溫脅迫耐性。
　　 （2）在低溫脅迫下，AtMT2a與CAT在清除活性氧自由基ROS的過(guò)程中相互補(bǔ)充，使植物更好的在逆境下存活。
　　 （3）通過(guò)序列比對(duì)和蛋白結(jié)構(gòu)

6、預(yù)測(cè)，MPT蛋白存在六個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，具有線粒體磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體家族蛋白的基本特征。
　　 （4）利用qRT-PCR和GUS染色證明，AtMPT1、AtMPT2及AtMPT3具有不同的組織表達(dá)模式，暗示著三個(gè)成員在擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段起作用。而且AtMPT3表達(dá)量明顯的比AtMPT1和AtMPT2的表達(dá)量高，說(shuō)明AtMPT3可能起主要作用。
　　 （5）AtMPT1、AtMPT2及AtMPT3的突變體和超表達(dá)植株表現(xiàn)出對(duì)鹽脅

7、迫的敏感性。正常條件和鹽脅迫下，由于AtMPTs的缺失會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)ATP含量的降低，而AtMPTs的過(guò)量表達(dá)會(huì)致使體內(nèi)ATP含量提高。說(shuō)明ATP是調(diào)控?cái)M南芥鹽脅迫耐性的重要調(diào)節(jié)因子。鹽脅迫下，AtMPTs調(diào)控很多重要的轉(zhuǎn)錄因子、激素代謝及響應(yīng)基因的表達(dá)，其中，赤霉素（GA）代謝基因及響應(yīng)基因變化最為明顯。此外，鹽脅迫使WT中GA的含量降低，然而，鹽處理后，AtMPT1、AtMPT2及AtMPT3的突變體和超表達(dá)植株中GA的含量有所提高，外

8、施UNI使其鹽敏感的表型恢復(fù)。由此，說(shuō)明ATP通過(guò)調(diào)節(jié)赤霉素使擬南芥對(duì)鹽脅迫做出響應(yīng)。
　　 （6）AtMPT3的純合體不能存活。超表達(dá)AtMPT3植株在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段表現(xiàn)出生長(zhǎng)弱小的表型，在生殖生長(zhǎng)階段表現(xiàn)出蓮座葉形狀不規(guī)則，蓮座葉數(shù)目增多，株型變小，延遲開花，莖短，育性降低的表型。說(shuō)明AtMPT3調(diào)控?cái)M南芥的生長(zhǎng)發(fā)育。通過(guò)對(duì)基因芯片結(jié)果的分析，AtMPT3的超表達(dá)使擬南芥體內(nèi)很多生物學(xué)過(guò)程發(fā)生了改變。其中，植物激素代謝及響應(yīng)基