去甲肾上腺素提高植物抗盐性及其应用前景的初步研究

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儿茶酚胺(Catecholamines,CAs)是一类含有3,4邻苯二酚基的生物胺,属于含有儿茶酚和胺基的神经类物质,包括三类物质:肾上腺素(Epinephrine,E)、去甲肾上腺素(Norepinephrine,NE)和多巴胺(Dopamine,DA),这三类物质都是由酪氨酸(Tyrosine)为前体转化得到的。很多研究表明,儿茶酚胺CAs类激素可以显著影响致病菌的感染性并对细菌的生长与耐药性均存在一定的影响。在哺乳动物中,CAs是一类重要的神经递质,能够增强机体在多变环境影响下的适应能力,并在调节神经系统活动方面有着重要的药理作用和生理功能。与哺乳动物相同的是,植物CAs的合成底物也是酪氨酸;近些年研究表明植物CAs也参与植物生长、发育和抗逆应答等重要过程,其可能是植物感受和应答非生物胁迫的关键激素类物质。我们对野生型(WT)拟南芥进行了不同浓度的NE处理,并对其种子萌发、根长和气孔开度等生理指标进行了统计和分析。研究结果表明,外源NE处理显著抑制了种子萌发,且具有浓度依赖性;其中,100 μMNE处理,36h后萌发率只有10.12%,而当NE浓度升高到250μM和500μM时候,36h内WT种子几乎不萌发。同时,我们研究也发现,外源NE也显著抑制了 WT主根的伸长,其中100 μMNE抑制效果最强。气孔开度实验也发现,NE处理显著促进了气孔关闭,而且随着浓度的升高其促进效应越强;其中,100μM NE处理后,气孔开度只有2.28 μm,与对照相比,下降了43.28%。利用H2DCF-DA染色研究发现,NE处理显著增加了保卫细胞活性氧的含量。同时,我们研究发现,DA和E处理也能促进气孔关闭,但与NE处理相比,促进效果较弱。为了研究NE是否可以缓解植物的盐胁迫,提高植物生长的抗逆性,我们首先利用NE和NaCl处理拟南芥WT幼苗,并对根长、鲜重和叶绿素含量等生理指标进行了统计和分析。研究结果表明,NE处理显著缓解了盐胁迫对根伸长的抑制作用,提高了叶绿素含量。我们对拟南芥Na+/H+反向转运体突变体sos1进行了 NE和NaCl处理。研究发现NE没有缓解sos1突变体的盐敏感表型,暗示NE的调控作用需要sos1蛋白功能,可能位于植物SOS系统的上游。我们研究发现,外源DA和E处理也在不同程度上均提高植物的耐盐性。之后我们将NE应用于农作物水稻、花生和小麦等农作物的种植中,实验结果表明,低浓度NE显著提高了水稻、花生和小麦等的株高和叶绿素含量,缓解了 NaCl胁迫作用。上述结果表明,NE可以促进植株的生长,提高植物的抗逆性,可能是一种植物胁迫激素。最后,为进一步研究NE提高植物耐盐性的分子机理,我们对NE和NaCl处理的幼苗进行了转录组分析。实验共完成了 12个样品的转录组分析,获得79.27Gb Clean Data,Q30碱基百分比在92.58%及以上。随后将各样品的Clean Reads与指定的参考基因组进行序列比对,比对效率从93.36%至95.40%不等。基于比对结果,进行可变剪接预测分析、基因结构优化分析以及新基因的发掘,发掘新基因322个,其中273个得到功能注释,其中盐胁迫下,NE处理显著提高了多个基因的表达,包括AT5G15120(PCO1,Plant cysteine oxidase 1)、AT1G07160(Protein phosphatase 2C)、AT1G43800(AAD6)、AT5G64750(ABA Repressor1,ABR1)、AT5G05300(IDL6)、AT5G67310(CYP81G1,Polypeptide 1)、AT3G47340(ASN1,AT-ASN1,Dark inducible 6)、AT1G10070(ATBCAT-2,BCAT2)和 AT5G63770(ATDGK2,DGK2)等基因。根据基因在不同样品中的表达量识别差异表达基因,对其进行功能注释和富集分析,这为深入揭示NE对于植物调控和发育的影响提供了重要线索和基因资源。
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