硝酸盐转运蛋白NRT1.1和NRT1.2在植物锌和镉积累过程中的作用研究

摘要

土壤锌(Zn)和镉(Cd)污染问题一直以来都是农业安全生产亟待解决的难题。通过科学的施用硝态氮肥降低上述金属进入植物体内被认为是污染土壤农业安全生产的重要措施。NRT1.1和NRT1.2是植物根系负责吸收硝态氮的主要转运蛋白。然而，关于NRT1.1和NRT1.2在调控植物Zn和Cd积累过程中的作用及机制尚不清楚。因此，本研究将首先以Colombia-0野生型拟南芥(Col-0)、NRT1.1缺失突变体nrt1.1和chl1.5为供试材料，通过固体培养基和水溶液培养两种栽培模式，揭示NRT1.1对Zn胁迫下植物体内Zn积累的作用。另一方面，最新的研究指出外源脱落酸(ABA)能阻控Cd在植物体内的积累。考虑到NRT1.2亦是脱落酸摄入转运体，因此本文还将以Col-0、NRT1.2缺失突变体nrt1.2和NRT1.2过表达NRT1.2ox植株为供试材料，研究水培条件下NRT1.2在协同转运ABA进而阻控Cd积累过程中的作用。主要结果如下: (1)通过无损伤微电极测定Col-0根尖硝酸盐离子流速发现，250μM Zn处理显著促进了根分生区、伸长区和成熟区的硝酸盐吸收速率，增幅分别为218％、253％和38％; Zn处理还显著诱导了pNRT1.1∷NRT1.1-GFP转基因植株根尖GFP荧光的增强，以及pNRT1.1∷NRT1.1-GUS转基因植株根尖GUS染色的加深。这些结果表明，Zn处理下拟南芥根对硝酸盐吸收的增加可能与NRT1.1有着重要关系。进一步以Col-0和NRT1.1缺失功能突变体nrt1.1和chl1.5为供试材料发现，250μM Zn固体培养基培养条件下Col-0植株根部Zn含量分别是nrt1.1和chl1.5的1.82和1.83倍;地上部Zn含量则为nrt1.1和chl1.5的1.61和1.55倍。水培50μM Zn处理下，Col-0植株根部Zn含量分别是nrt1.1和chl1.5的1.31和1.64倍，地上部Zn含量分别是nrt1.1和chl1.5的1.24和1.43倍。上述两种培养方式均表明，抑制NRT1.1活性能够显著降低植物体内Zn的含量。此外，两种培养方式下生物量和光合指标(叶绿素含量和叶绿素荧光实际量子产量Y(Ⅱ))均表明，抑制NRT1.1活性可缓解Zn胁迫引起的生长胁迫和光合抑制。基于NO3--Zn共存循环和间隔循环处理的试验方法，本研究进一步发现Zn和NO3-共存时Col-0与nrt1.1和chl1.5植株地上部和根系Zn含量差异显著高于Zn和NO3-间隔处理，说明Zn胁迫下NRT1.1促进Zn的积累与NO3-的共运有关。综上，Zn胁迫可能通过某种方式诱导了NRT1.1的表达促进硝酸盐吸收的同时协同转运Zn离子进入体内。抑制植物NRT1.1活性可降低植株体内Zn含量的积累并缓解Zn胁迫引起的生长胁迫和光合抑制。 (2)10μM Cd水培条件下，外源ABA可显著缓解Cd胁迫对Col-0拟南芥的生长抑制和光合损伤，而对NRT1.2缺失突变体nrt1.2的作用却显著减弱。进一步分析发现，外源ABA可使Col-0地上部和根部ABA含量分别增加12％和28％，而nrt1.2地上部和根部ABA含量都无明显变化。该结果表明，NRT1.2可能参与协同转运外源ABA缓解植物Cd胁迫诱导的生长抑制和光合损伤的过程。基于植物体内Cd含量的分析，本研究发现外源ABA分别使NRT1.2过表达转基因植株NRT1.2ox-1、NRT1.2ox-2、Col-0和nrt1.2的Cd含量降低了77％、64％、38％和27％（地上部）和39％、29％、27％和8％（根系）。这些结果均表明，NRT1.2可能参与协同转运ABA进而阻控植物Cd积累。此外，外源ABA抑制Col-0根系Cd吸收相关基因IRT1、ZIP1、ZIP4和Nramp1的表达。进一步比较上述个基因在NRT1.2过表达植株、Col-0和NRT1.2突变体株系间表达量的差异，结果发现NRT1.2介导的ABA阻控Cd吸收主要与IRT1和Nramp1有关。综上，外源ABA可能基于NRT1.2的转运抑制IRT1和Nramp1表达从而实现对植物体内Cd积累的减控。

目录

摘要

第1章硝酸盐转运蛋白对非生物逆境胁迫的响应研究

1．1引言

1．2硝酸盐转运蛋白NRT1

1．3硝酸盐转运蛋白NRT2

1．4硝酸盐转运蛋白调控植物生长发育

1．5硝酸盐转运蛋白对非生物学逆境的响应

1．5．1硝酸盐转运蛋白响应矿质营养缺失

1．5．2硝酸盐转运蛋白调控植物响应干旱、盐胁迫及酸胁迫

1．5．3硝酸盐转运蛋白响应重金属胁迫

1．6论文立题意义及主要内容

第2章硝酸盐转运蛋白NRT1．1在植物锌积累过程中的作用研究

2．1引言

2．2材料和方法

2．2．1供试材料

2．2．2植物培养

2．2．3离子通量微电极测定拟南芥根NO3-流速

2．2．5 GUS组织染色测定拟南芥根NRT1．1蛋白活性

2．2．6叶绿素含量测定

2．2．7叶绿素荧光特性Y(Ⅱ)的测定

2．2．8 Zn含量测定

2．2．9数据分析

2．3结果

2．3．1 Zn处理对硝酸盐吸收情况和NRT1．1蛋白表达水平的影响

2．3．2 NRT1．1对Zn胁迫下Co1-0和NRT1．1突变体植株生长情况的影响

2．3．3 NRT1．1对Co1-0和NRT1．1突变体植株Zn含量的影响

2．3．4 NRT1．1调控植物体Zn水平是否依赖于硝酸盐

2．4讨论

2．5小结

第3章硝酸盐转运蛋白NRT1．2协同转运脱落酸减控植物镉积累

3．1引言

3．2材料和方法

3．2．1供试材料

3．2．2构建过表达转基因植株

3．2．3植物培养

3．2．4拟南芥植株脱落酸含量的测定

3．2．5基因表达水平分析

3．2．6拟南芥叶片叶绿素含量测定

3．2．7叶绿素荧光特性NPQ的测定

3．2．8拟南芥生物量和Cd含量测定

3．3结果

3．3．1 Cd处理下外源ABA对wt和nrt1．2生长情况的影响

3．3．2外源ABA对wt和nrt1．2植株Cd含量的影响

3．3．3 Cd胁迫下外源ABA对wt和nrt1．2植株ABA含量的影响

3．3．4外源ABA对35s-NRT1．2过表达植株Cd含量的影响

3．3．5 Cd胁迫下外源ABA对拟南芥植株Cd吸收相关基因表达量的影响

3．4讨论

3．5小结

4．1主要结论

4．1．2 NRT1．2协同转运ABA阻控植物Cd积累相关作用研究

4．2展望

参考文献

硕士期间完成的论文及参与的项目

致谢

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