【摘 要】
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不利的环境胁迫如高温、寒冷、干旱、盐渍、紫外线、臭氧胁迫和病原体感染等会导致细胞内的代谢平衡受到破坏、活性氧大量积累,从而增强氧化应激。其中H2O2是主要的活性氧分子,而过氧化氢酶是清除该分子的关键酶,拟南芥中过氧化氢酶是由三个基因编码（CAT1、CAT2和CAT3）的蛋白组成,但是他们是否全部参与H2O2的代谢还不是很清楚。本研究采用遗传学、生物化学和转录组学等多种技术手段,分析了所有过氧化氢酶
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不利的环境胁迫如高温、寒冷、干旱、盐渍、紫外线、臭氧胁迫和病原体感染等会导致细胞内的代谢平衡受到破坏、活性氧大量积累,从而增强氧化应激。其中H2O2是主要的活性氧分子,而过氧化氢酶是清除该分子的关键酶,拟南芥中过氧化氢酶是由三个基因编码（CAT1、CAT2和CAT3）的蛋白组成,但是他们是否全部参与H2O2的代谢还不是很清楚。本研究采用遗传学、生物化学和转录组学等多种技术手段,分析了所有过氧化氢酶基因突变对拟南芥突变体生长发育以及生理生化的影响。具体研究成果如下:1.相较于Col-0,cat1-2 cat2-1 cat3-1突变体呈现出叶片生长和根系发育迟缓。测量莲座叶鲜重结果表明,cat1-2 cat2-1 cat3-1的鲜重显著降低,主根生长受到抑制且通过抑制侧根原基的出现阶段使侧根的数量剧烈减少。与Col-0相比,cat1-2 cat2-1 cat3-1突变体中几乎未检测到过氧化氢酶活性;此外,cat1-2 cat2-1cat3-1中的总谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽含量显著地升高,这些结果表明所有过氧化氢酶基因都参与H2O2的代谢,进而控制氧化胁迫的诱导。2.此外,叶片出现明显的细胞程序性死亡现象,并且伴随着游离水杨酸（SA）和总SA含量大幅度上升。SA合成关键基因ICS1的突变完全阻断三突cat1-2cat2-1 cat3-1叶片细胞死亡现象,该遗传证据进一步证明cat1-2 cat2-1 cat3-1突变诱导的细胞死亡与水杨酸积累有关。3.在cat1-2 cat2-1 cat3-1三重突变体中分别回补CAT1、CAT2和CAT3,这些转基因植株不同程度上回复了cat1-2 cat2-1 cat3-1的表型,减弱了叶片的细胞死亡。且相比较于cat1-2 cat2-1 cat3-1突变体,转基因植株的过氧化氢酶活也有较高的上调。4.利用转录组测序技术分析Col-0和cat1-2 cat2-1 cat3-1的差异基因表达情况,结果发现,在cat1-2 cat2-1 cat3-1中,303个ROS响应基因、48个SA合成及信号途径相关基因和38个免疫相关基因大多数被显著性的诱导表达,而40个光合作用过程相关的基因表达下调,这与cat1-2 cat2-1 cat3-1的表型分析相一致。综上所述,由于所有过氧化氢酶基因的突变,导致植物体内H2O2水平显著增高,氧化应激进一步增强,从而诱导了SA的合成积累,激活了依赖于SA的免疫防御反应,导致叶片出现细胞程序性死亡的现象,并且通过抑制侧根原基的出现阶段使其侧根数量减少。
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