低剂量60Co-γ辐照拟南芥的生长刺激效应及增强抗逆性的机理研究

摘要

离子辐射不同程度地影响植物的外部形态，细胞结构以及生理生化过程。低剂量离子辐射产生刺激作用，即辐射兴奋效应，已在不同生物物种中得到验证。60Co-γ射线由于其能量高、穿透力强的特点在生物诱变育种中得到广泛应用。近来，大量的研究证据表明低剂量60Co-γ辐照处理对不同植物的生长发育产生刺激效应。此外，在逆境条件下，低剂量60Co-γ辐照处理能够增强植物的抗逆性，减轻胁迫对植物造成的伤害。然而，有关低剂量60Co-γ辐照的生长刺激效应和提高植物抗逆性的分子机理却知之甚少。
　　本论文以模式植物拟南芥为研究材料，通过比较分析对照和低剂量60Co-γ辐照的种子萌发生长幼苗的不同生理指标以及相关信号途径的基因表达，探讨了低剂量60Co-γ辐照对植物生长促进作用的生理和分子机制。首先，我们用不同剂量60Co-γ辐照处理拟南芥种子，观察分析拟南芥幼苗的生长情况。结果显示，与对照相比(0 Gy)，低剂量的60Co-γ辐照(<100 Gy)显著促进拟南芥种子萌发，幼苗主根生长以及鲜重的增加。其中，50 Gy辐照的刺激生长效应最为显著，而150 Gy辐照严重抑制了拟南芥幼苗的生长。此外，我们还发现与对照相比，50 Gy60Co-γ辐照的种子萌发生长的拟南芥植株不仅株高显著增加，莲座叶显著增长，果荚也显著增长，表明低剂量的60Co-γ辐照刺激效应能够从幼苗阶段延续到植株水平。
　　在正常生长条件下，50 Gy60Co-γ辐照的拟南芥种子萌发生长幼苗中过氧化氢(H2O2)含量比对照幼苗显著升高。我们进一步分析了低剂量60Co-γ辐照对拟南芥NADPH氧化酶编码基因RBOHs表达的影响，结果表明，50 Gy60Co-γ辐照显著促进了AtrbohB，AtrbohF和AtrbohD基因的表达，其中AtrbohD基因表达升高最明显。通过分析对照和辐照处理拟南芥幼苗中抗氧化酶活性，我们发现低剂量60Co-γ辐照刺激过氧化物酶(POD)，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的活性升高。为了明确活性氧(ROS)是否在低剂量60Co-γ辐照的生长刺激效应中发挥作用，我们检测了ROS清除剂DMSO处理的生物学效应，结果显示， DMSO处理显著抑制了低剂量60Co-γ辐照对种子萌发和幼苗生长的促进作用，而不影响对照种子的萌发和幼苗的生长。
　　我们进一步分析了拟南芥幼苗中ABA的含量。结果表明，经50 Gy60Co-γ辐照，野生型拟南芥幼苗中ABA含量明显高于对照。而且，50 Gy60Co-γ辐照ABA合成突变体aba2-1种子，其种子萌发指数，幼苗根长和鲜重与突变体对照相比没有显著差异，而相同辐照却显著促进野生型拟南芥幼苗生长。我们还研究了低剂量60Co-γ辐照诱导的ABA与ROS之间的关系。结果显示，与未辐照的aba2-1幼苗相比，低剂量60Co-γ辐照没有增加aba2-1幼苗中的H2O2含量。而且，DMSO处理也没有明显影响野生型和突变体幼苗中的ABA含量。此外，对ABA合成、代谢、转运相关基因转录表达定量分析发现，低剂量60Co-γ辐照显著上调了 ABA合成途径的一些基因，分解代谢相关基因表达没有明显变化，编码ABA转入蛋白的AtABCG40基因的表达显著上调，而编码ABA转出蛋白的AtABCG25基因的表达被抑制。我们的结果推测ABA参与了低剂量60Co-γ辐照对拟南芥幼苗生长的促进效应。
　　在50 mM或100 mMNaCl处理条件下，50 Gy60Co-γ辐照减轻盐胁迫对拟南芥生长的抑制作用最明显，表现为种子萌发指数和幼苗根长显著高于对照。H2O2含量分析表明在盐胁迫下低剂量60Co-γ辐照使幼苗中H2O2含量显著低于对照幼苗含量。而且，50 Gy60Co-γ辐照显著减少脂质过氧化指标丙二醛(MDA)的含量。抗氧化酶活性分析表明，低剂量60Co-γ辐照显著增加盐胁迫下拟南芥幼苗中POD，SOD和CAT的活性，而且CAT活性最高。脯氨酸含量分析表明，低剂量60Co-γ辐照显著促进盐胁迫下拟南芥幼苗积累脯氨酸。此外，荧光定量分析基因转录表达发现，低剂量60Co-γ辐照显著上调了盐胁迫信号途径相关基因的表达，例如SOS信号途径的SOS1、SOS2、SOS3和盐胁迫响应基因AREB1、DREB2、RD29A和RD29B。我们的结果推测低剂量60Co-γ辐照通过调控生理过程和盐胁迫信号相关基因的表达增强拟南芥抗盐性。
　　在75μM CdCl2或0.5 mM Pb(NO3)2处理条件下，与对照相比，50 Gy60Co-γ辐照最能促进拟南芥种子萌发和幼苗根的生长。不同生理参数检测分析表明，在重金属镉或铅胁迫下50 Gy60Co-γ辐照降低了幼苗中H2O2含量，显著低于对照幼苗。50 Gy60Co-γ辐照也显著降低MDA的含量。而且，低剂量60Co-γ辐照显著促进镉或铅胁迫下拟南芥幼苗中抗氧化酶SOD，POD和CAT的活性。脯氨酸含量分析表明，低剂量60Co-γ辐照显著促进重金属胁迫下拟南芥幼苗中脯氨酸含量的积累。此外，对植物防御重金属镉或铅胁迫相关基因表达分析表明，低剂量60Co-γ辐照显著上调了重金属转运蛋白基因AtPDR8和AtPDR12以及重金属胁迫相关的AtATM3和AtPCR1的表达。我们的结果表明低剂量60Co-γ辐照增强拟南芥对重金属镉或铅胁迫的耐受性。
　　综上所述，我们的研究结果表明ROS和ABA信号参与低剂量60Co-γ辐照对拟南芥幼苗生长的刺激效应。在盐和重金属镉或铅胁迫下，低剂量60Co-γ辐照通过增强抗氧化酶活性，降低植物细胞氧化胁迫，积累脯氨酸含量以及调控逆境胁迫信号途径中相关基因的表达减缓环境胁迫对拟南芥幼苗的伤害，提高抗逆性。

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第一章 文献综述

1.1低剂量 60Co-γ辐照对植物生长的刺激效应研究进展

1.2 ROS与ABA信号系统

1.3植物响应盐胁迫信号途径

1.4植物响应重金属胁迫分子机制

1.5本论文的研究目的与意义

第二章 低剂量 60Co-γ辐照对拟南芥生长发育的刺激效应

1 材料与方法

2 结果与分析

3讨论

第三章 ROS和ABA信号在低剂量 60Co-γ辐照促进拟南芥幼苗生长中的作用

1 材料与方法

2 结果与分析

3讨论

第四章 低剂量 60Co-γ辐照增强拟南芥对盐胁迫的抗性

1 材料与方法

2 结果与分析

3讨论

第五章 低剂量 60Co-γ辐照增强拟南芥对重金属胁迫的抗性

1 材料与方法

2 结果与分析

3讨论

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历、博士期间发表的学术论文与研究成果