SO2诱导拟南芥气孔运动与保卫细胞凋亡效应研究

摘要

二氧化硫(SO2)是一种常见的全球性大气污染物，它通过气孔进入植物体，其对植物的伤害程度取决于进入植物体内的量。SO2能诱导气孔运动，刺激气孔不正常地开放或关闭，影响植物体正常的生理机能;SO2还能阻止植物细胞进入分裂态，可导致根尖细胞核固缩，细胞死亡。但是SO2通过什么样的机制调控气孔运动，诱导气孔开度减小，使植物适应逆境胁迫;高浓度的SO2会不会影响保卫细胞存活率，破坏气孔正常的调控机能，未见报道。
　　本文以拟南芥叶片下表皮为材料，研究了SO2体内衍生物-亚硫酸钠和亚硫酸氢钠混合液（3∶1，μmol·L-1/μmol·L-1）对拟南芥叶片气孔运动和保卫细胞凋亡的影响。发现低浓度SO2可诱导拟南芥气孔关闭，活性氧(ROS)和Ca2+在气孔关闭过程中起重要作用;高浓度SO2可诱导保卫细胞凋亡，ROS、Ca2+及类Caspase蛋白酶在植物细胞凋亡过程中起重要作用。研究结果表明:
　　浓度为7.5～150μmol·L-1的SO2衍生物处理3h后叶表皮气孔开度明显减小;用抗氧化剂抗坏血酸(AsA)或Ca+螯合剂乙二醇四乙酸酯(EGTA)与150μmol·L-1SO2衍生物共同作用时，气孔开度显著增加。外源H2O2或CaCl2可诱导气孔开度减小，EGTA能逆转H2O2诱导的气孔开度缩小。利用ROS荧光指示剂(DCFH-DA)及Ca2+荧光指示剂(Fluo-3AM)检测发现，150μmol·L-1SO2衍生物处理可提高保卫细胞内ROS水平，增加胞质内Ca2+([Ca2+]cyt)浓度。上述结果表明，一定浓度的SO2可诱导植株叶片气孔关闭，引起胞内ROS水平升高及Ca2+浓度增大，推测SO2胁迫通过诱导活性氧增加，使[Ca2+]cyt浓度升高，激活钙信号系统调节气孔开度，进而调节气体的进入，对胁迫条件下叶片和植株的生理进行保护。
　　浓度为0.5～4.5 mmol·L-1的SO2衍生物处理表皮3h可诱导保卫细胞凋亡，细胞死亡率呈浓度依赖性增高。AsA或过氧化氢酶(CAT)与SO2衍生物共同作用时，保卫细胞死亡率显著降低。Ca2+螯合剂EGTA或Ca2+通道抑制剂LaCl3与SO2衍生物共同作用时，保卫细胞死亡率显著降低;天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(Caspase蛋白酶)抑制剂Z-Asp-CH2-DCB或丝氨酸/半胱氨酸蛋白酶抑制剂TPCK与SO2衍生物共同作用时，保卫细胞死亡率亦显著降低。利用DCFH-DA和Fluo-3AM检测发现，3 mmol·L-1SO2衍生物处理可提高保卫细胞内ROS水平，增加[Ca2+]cyt浓度。研究表明，一定浓度的SO2可诱导拟南芥保卫细胞凋亡，引起胞内ROS水平升高及[Ca2+]cyt浓度增大，保卫细胞中具有类Caspase蛋白酶活性，推测胁迫可能通过诱导ROS、激活质膜钙通道，造成胞外Ca2+内流，继而激活类Caspase蛋白酶活性引发细胞凋亡。
　　总之，低浓度的SO2能诱导气孔运动，开度减小，使进入植物体内的SO2量减少，进而减轻其对植物的伤害，提高植物的抗逆能力;而高浓度的SO2使气孔保卫细胞死亡，干扰气孔正常的生理调控，气孔关闭机能失调，增加了SO2进入植物体内的量，这可能是植物受到伤害的原因。

目录

摘要

第一章 文献综述

1 SO2污染及对植物的影响

1．1 SO2污染状况

1．2 SO2对植物的损伤效应

2 气孔运动概述

2．1 气孔运动在植物抗逆生理中的作用

2．2 活性氧和Ca2+对气孔运动的调节

3 细胞凋亡概述

3．1 植物细胞凋亡与环境胁迫

3．2 活性氧参与植物细胞凋亡

3．3 Ca2+参与植物细胞凋亡

3．4 Caspase蛋白酶参与细胞凋亡

4 小结

第二章 SO2诱导拟南芥气孔运动

1 引言

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 实验方法

2．3 统计分析

3 结果与分析

3．1 SO2对拟南芥气孔运动的影响

3．2 活性氧和Ca2+在SO2诱导拟南芥气孔运动中的作用

3．3 气孔保卫细胞内活性氧及Ca2+水平检测

4 讨论

第三章 SO2诱导拟南芥气孔保卫细胞凋亡

1 引言

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 实验方法

2．3 统计分析

3 结果与分析

3．1 SO2诱导拟南芥气孔保卫细胞凋亡

3．2 活性氧对SO2诱导保卫细胞凋亡的影响

3．3 Ca2+对SO2诱导保卫细胞凋亡的影响

3．4 类Caspase蛋白酶在SO2诱导细胞凋亡途径中的作用

3．5 气孔保卫细胞内活性氧及Ca2+水平检测

4．讨论

小结

参考文献

致谢

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