植物低温胁迫Ca信号的遗传学和细胞学综合分析

摘要

低温是限制许多植物地理分布和生长的环境因子，严重影响着世界上作物的产量和品质。在拟南芥中鉴定出许多低温信号转导的中间成分，目前对低温信号转导的遗传学研究取得了重要进展。另外，低温刺激之后植物细胞中Ca2+浓度有一个迅速升高的过程，此过程在时间和机制上与低温胁迫感应过程紧密相关。但是，目前对这些基因和低温胁迫中Ca2+信号之间的关系仍不清楚。 为了分析Ca2+信号系统在低温信号转导途径中的作用，我们将水母发光蛋白基因分别转入atfryl、atlosl、atlos5、aticel、atcbll、athosl、atcipkls、atcbl9-1等拟南芥突变体积CBF1，CBF2，CBF3超表达拟南芥突变体中，测定冷刺激时细胞中Ca2+浓度的变化。结果显示athosl、atcbl9-1和CBF1超表达材料细胞中Ca2+浓度上升的幅度比对照高，而atfryl、atlosl、atlos5、aticel、atcbll、atcipk15和CBF2、CBF3超表达等8种材料细胞中Ca2+浓度变化与对照相似。这些结果可以初步帮助我们分析Ca2+信号系统在低温信号转导途径中的位置和作用，并分析这些基因和Ca2+ signature的关系。 上述结果表明，冷胁迫刺激之后atcbl9-1中Ca2+浓度变化明显高于野生型，我们进一步分析了atcbl9-1细胞中Ca2+浓度变化和冷胁迫之间的关系。正常生长条件下，atcbl9-1与野生型在表型上没有差别，4℃处理以后二者出现了明显的区别，野生型拟南芥叶片出现严重的玻璃化现象，与atcbl9-1相比，离子渗漏增加，细胞膜的完整性受到损害。对于零下低温atcbl9-1同样表现出较野生型拟南芥更强的抗性，当大部分野生型拟南芥死亡时，仍然有较多的atcbl9-1存活，atcbl9-1的存活率明显高于野生型。这些结果说明atcbl9-1对冷不敏感。 细胞内Ca2+浓度升高可以激活一些转录因子的表达，这些转录因子调控下游许多冷胁迫相关基因的表达，最终提高植物的抗冷性。利用水母发光蛋白检测alcbl9-1中冷刺激时Ca2+浓度变化时发现，冷胁迫刺激条件下atcbl9-1细胞质中Ca2+浓度变化幅度明显高于野生型，而在液泡的胞质面两者Ca2+浓度变化相似。拟南芥预先用Ca2+螯合剂EGTA和Ca2+通道抑制剂LaCl3处理后，atcbl9-1中Ca2+浓度下降幅度大于野生型，利用细胞内钙库的抑制剂LiCl处理后，两者Ca2+浓度下降幅度类似，这些结果暗示，冷胁迫刺激时atcbl9-1内较高的Ca2+浓度可能来源于细胞外的钙库。 AtCBL9序列的N末端包含有一段保守的豆蔻酰化结构域。利用报告基因GFP对AtCBL9进行亚细胞定位，显示AtCBL9蛋白定位于细胞膜上。据此推测AtCBL9可能在质膜上感知外界低温信号，并通过与其相互作用的CIPK蛋白激酶控制下游基因的表达从而调控对低温的应答。为此我们分析了一些受冷诱导基因表达的情况，atcbl9-1中CBF2的表达量比野生型中高，而CBF1和CBF3的表达量却比野生型的低。同时，冷处理条件下atcbl9-1中RD29A，KIN1和COR15A等基因的表达量高于野生型。 总之，定位于质膜上的AtCBL9参与了低温信号转导过程，并且作为COR基因的负调节因子参与了基因的转录调节。

目录

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论文说明：英文缩写

声明

第一部分文献综述

第一章低温胁迫下细胞信号转导

1低温对植物的伤害

2低温信号的感知

3 Ca2+参与了低温信号转导

4低温胁迫应答网络的关键基因CBF转录因子

5植物冷驯化过程中基因的调控

第二章 Ca2+信号及其在冷胁迫信号转导中的作用

1 Ca2+作为信号的特点

2植物细胞中Ca2+参与的调控过程

3植物细胞内Ca2+信号的特异性

4 Ca2+信号系统的组成

5细胞内游离Ca2+浓度的标定方法

第三章研究的目的和意义

第二部分研究报告

第四章冷胁迫反应相关突变体内[Ca2+]c变化初步分析

一、引言

二、材料和方法

三、结果

四、讨论

第五章 AtCBL9突变体冷胁迫反应中的表型分析

一、引言

二、材料和方法

三、结果

四、讨论

第六章冷胁迫条件下atcbl9-1突变体Ca2+浓度变化特征

一、引言

二、材料和方法

三、结果

四、讨论

第七章 AtCBL9参与调节了冷胁迫相关基因的表达

一、引言

二、材料和方法

三、结果

四、讨论

第八章结论

参考文献

致谢