二氧化硫对拟南芥基因表达谱的影响

摘要

二氧化硫(SO2)是全球主要大气污染物之一。高浓度SO2暴露后多数植物不能正常生长发育，有些植物表现较高耐受性。但目前为止，植物的抗逆机理还不清楚。为此，本文首次利用基因芯片技术研究了SO2暴露对拟南芥茎叶组织细胞基因表达谱的影响，分析植物对逆境适应的转录调控机制。
　　本文选用Affymetrix公司拟南芥基因组寡核苷酸芯片ATH1，对4周龄拟南芥植株SO2熏气(30 mg/m3，3d)后茎叶组织细胞的基因表达谱进行分析。在芯片总共22810个探针中，对照组和实验组检出率分别为64.2％和58.5％，检出基因90％以上均为低丰度表达。SO2暴露组和对照组间表达差异1倍以上的基因494个，其中上调基因220个，下调基因274个，这些基因主要涉及代谢、信号转导、转录调控、以及逆境防御和应答等生理过程。进一步分析发现，SO2暴露后:(1)差异表达1倍以上的基因中代谢基因占38.26％。其中，防御相关的多个基因被诱导表达，如抗氧化酶SOD、POD、APX、GPX、细胞色素P450、谷胱甘肽硫转移酶(GST)、富含脯氨酸伸展蛋白、β-1，3葡聚糖酶、几丁质酶、病程相关蛋白(PR蛋白)等基因均上调表达，说明高浓度SO2可致拟南芥细胞氧化胁迫，并引起防御基因转录水平的提高;防御基因表达上调有利于细胞清除活性氧，提高代谢解毒能力，增强植株对逆境的适应性;(2)多个类别的转录调控基因差异表达。在494个差异表达基因中，转录因子基因有74个，占15％。其中上调基因17个，下调基因57个，主要涉及AP2-EREBP Family、NAC Family、WRKY Family、 MYB Family、HSF Family等与非生物胁迫相关的家族，这些转录因子可能在拟南芥SO2胁迫生理中具有重要的调节作用;(3)光合作用基因转录活性较高，其中编码NDH复合体的11个基因有8个表达上调。SO2胁迫使这些光合基因表达量增加，可能在修复SO2引起的光合系统损伤中发挥作用;(4) DNA修复基因差异表达，其中主要涉及错配修复蛋白(MLH1，MSH3)基因，双链断裂修复蛋白(XRCC，ATMND1，RAD50，RAD17)基因和跨损伤DNA合成酶(REV1)基因。这些基因差异表达可能会影响DNA修复过程，引起遗传不稳定。此外，对SO2胁迫后诱导表达的部分功能不明确的基因进行Blast分析，发现了一些基因可能在胁迫生理中具有某种特定功能。
　　本文还对SO2暴露后拟南芥幼苗地上组织中活性氧生成速率和保护酶活性进行了检测。结果发现:10，30 mg/m3 SO2暴露2h-24h，拟南芥地上组织中O2-·产生速率上升，H2O2含量增加，SOD、POD活性增加，且高浓度组变化幅度较大。施喷10 mg/L的抗坏血酸(ASA)预处理后，SO2熏气组拟南芥O2-·产率和H2O2含量降低。通过检测SO2胁迫组和抗氧化剂缓解后活性氧产生速率、H2O2含量及抗氧化酶活性的改变，证明了SO2暴露对拟南芥植物的氧化胁迫作用，为活性氧参与SO2胁迫下基因表达的调控提供了证据。
　　总之，SO2暴露早期即对拟南芥植株产生氧化胁迫。拟南芥在SO2胁迫时可能通过植物基因表达调控网络调控防御相关基因的表达，进而调节逆境生理过程，影响细胞代谢和形态结构，全面提高植株对逆境胁迫的适应性。

目录

摘要

第一章 文献综述

1 环境中的SO2

1．1 SO2污染及危害

1．2 SO2对植物的影响

1．3 SO2对植物细胞活性氧代谢的影响

2 基因芯片技术及应用

2．1 基因芯片概念、分类及特点

2．2 基因芯片技术原理

2．3 基因芯片技术的应用

3 小结

第二章 利用寡核苷酸芯片分析SO2对拟南芥转录水平的影响

1 前言

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 实验方法

3 结果与讨论

3．1 基因芯片检测结果统计

3．2 SO2胁迫后相关基因差异表达分析

3．3 SO2胁迫诱导基因的预测

4 结论

第三章 SO2暴露引发拟南芥幼苗氧化胁迫

1 前言

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 实验方法

3 结果与分析

3．1 SO2对拟南芥幼苗活性氧代谢和抗氧化酶的影响

3．2 外源抗坏血酸对SO2胁迫的缓解作用

4．讨论

第四章 总结与展望

参考文献

作者简介

硕士研究生期间发表的论文

致谢

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