氢气诱导黄瓜苗不定根生长机制

氢气对植物也有非常多效应,其中研究比较多的是南京农业大学。另外甘肃农业大学等机构也有相关研究。本研究就是甘肃农业大学最近刚发表的一篇研究论文。解释了氢气调节不定根生长可能是通过另外一个重要植物激素乙烯实现的。

有研究表明,氢气和乙烯均在植物不定根中起着关键作用。然而,在这一过程中,氢气和乙烯之间的关系还没有得到探索,没有得到充分理解。本研究以黄瓜苗为材料,探讨其诱导生根过程中的蛋白质组学变化。研究结果表明,乙烯释放化合物(乙烯利)在适当的浓度促进外源加油,富氢水最大生物反应发生在50%或0.5µM乙烯利。乙烯抑制剂AVG和AgNO3对氢气诱导的不定根有部分抑制作用,提示乙烯可能参与了氢气诱导不定根过程。双向电泳和质谱分析,富氢水处理中9个蛋白表达上调,15个蛋白表达下调;乙烯利处理4个蛋白表达上调,10个蛋白表达下调;在富氢水+AVG处理中,1个蛋白表达上调,9个蛋白表达下调。

对这些差异蛋白质进一步分析,发现包括光合作用相关蛋白二磷酸核酮糖羧化酶,氧气进化增强蛋白质,氨基酸代谢相关蛋白苏氨酸脱水酶,压力响应相关蛋白胞质抗坏血酸盐过氧化物酶,和折叠,修改和降解相关蛋白。结果表明,乙烯可能是氢气诱导的不定根过程中的下游信号分子,而多种重要功能蛋白可能在这一过程中发挥重要作用。

不定根是由非根组织如叶、茎和下胚轴形成的。不定根可增加根面积,提高其吸收养分和支撑植物的能力。不定根对优良品种无性繁殖和农林产业发展具有重要促进作用。因此,探讨不定根形成机制是十分必要和有意义的课题。信号分子在不定根发育中的作用是近年来研究的热点。对信号转导进一步研究将有助于我们理解不定根的机制。

乙烯是简单的双碳分子,在调控植物生长发育方面起着重要作用。乙烯可能在整个植物生命周期中诱导多种效应,包括种子萌发、花衰老和果实成熟。乙烯还参与了植物对病原体或诱导子攻击的防御反应,以及对非生物胁迫的反应,如创伤、缺氧、寒冷、冻结,表明乙烯可能是植物生长、发育和胁迫反应的调节因子。

自从乙烯刺激不定根形成的研究首次被发现以来,这方面研究已经有了大量成果。氢气(氢气)是最轻的气体,是一种无色、无嗅、无味的双原子气体。Ohsawa等(2007)发现氢气可以作为一种有效抗氧化剂用于大鼠脑缺血,此后氢气在各种疾病的预防和控制方面的应用成为研究热点。近年来,人们对高等植物中氢气的生理功能也进行了研究。氢气经常被证明对盐胁迫、干旱胁迫、重金属毒性、氧化应激和UV-A照射等胁迫有反应,诱导气孔关闭。最近,氢气另一个功能被发现:促进不定根的发生。Lin等(2014)的研究结果表明,50%富氢水可以通过调节生长素信号相关基因和不定根相关基因的表达,模拟血红素功能,恢复黄瓜不定根的形成。Zhu等(2016)报道称,富氢水处理增加了不定根形成过程中一氧化氮(NO)的含量,上调了细胞周期激活。此外,Cao等(2017)认为,富氢水通过调节依赖于nr的NO合成,参与调节生长素诱导的侧根形成

乙烯和氢气参与了不定根的形成。然而,确切的机制仍不清楚。在本研究中,我们假设在黄瓜不定根过程中,乙烯和氢气之间存在一定的关系。

为了证明这个假设,研究使用了乙烯抑制剂。蛋白质组学方法已被广泛应用于在蛋白质水平上确定遗传和细胞功能。蛋白质组学分析也被证明在识别与一系列生物和非生物应激反应相关的蛋白质方面是有用的。我们使用2-DE和基质辅助激光解吸电离离子源和飞行时间质量分析器 (MALDI-TOFTOF)来比较乙烯和氢气诱导的蛋白质组外生根过程中发生的定量和定性变化。通过综合分析不同处理下的差异蛋白的功能和含量以及与这些蛋白相关的基因的表达,推测乙烯可能会影响某些蛋白的表达及其相关基因的表达。这些结果为不定根的生理和分子机制提供了新见解。

结果表明,氢气和乙烯在促进不定根发育中均起重要作用。乙烯可能是氢气诱导生根过程中的下游信号分子。进一步的蛋白质组学研究表明,光合作用相关蛋白、氨基酸和代谢相关蛋白、应激反应相关蛋白以及折叠、修饰和降解相关蛋白可能在氢气诱导下乙烯介导的不定根过程中发挥积极作用。氧进化增强子蛋白可能在这一过程中起抑制作用。不定根发生的机制非常复杂,需要进行更多的研究来充分理解不定根信号。

部分研究结果

不同浓度富氢水和乙烯利对不定根发育的影响

为了了解不同浓度的富氢水(0、1%、10%、50%和100%)对黄瓜外植体外植根发育的影响。如图1所示,不同浓度富氢水影响不定根的发育。50%和100% 富氢水处理的黄瓜外植体比对照产生更多的不定根,但1% 富氢水处理的黄瓜根数明显低于对照。50% 富氢水处理可观察到最大根数(图1),并用于进一步研究。

不同浓度富氢水对不定根发育的影响

图1:不同浓度富氢水对不定根发育的影响。

乙烯抑制剂AVG和AgNO的作用在氢气-诱导不定根发育

为了进一步研究乙烯在不定根形成中的作用,我们使用了乙烯抑制剂。结果如图所示。S4和S5表明不同浓度的乙烯合成抑制剂AVG和AgNO3对生根有负作用。我们使用1µmol/L AVG和0.1µmol/L硝酸银进行进一步的研究。从图3可以看出,与对照相比,单独使用富氢水或乙烯利处理的外植体的不定根情况有所改善。用富氢水+乙烯利处理的外植体根数较高,但与单独用富氢水或乙烯利处理的外植体相比,根数无显著差异。当在富氢水中加入AVG (乙烯合成抑制剂)或AgNO3(乙烯作用抑制剂)时,乙烯对不定根的诱导作用发生逆转(图3),由此推断乙烯可能参与了氢气诱导的不定根发育。

乙烯抑制剂对H的影响-诱导不定根发育

图3:乙烯抑制剂对H的影响-诱导不定根发育。

氢气的影响乙硫醚的产生及与乙硫醚相关基因的表达

如图4A所示,50% 富氢水处理的乙烯产量约为对照的两倍。此外,图4B的结果表明,富氢水处理显著提高了CsACS3的基因表达。与对照组相比,富氢水明显提高了CsACO1的表达。这些一致的结果表明,乙烯可能在氢气诱导的不定根形成的下游起作用。

富氢水对黄瓜外植体乙烯产量(A)和2个乙烯相关基因表达水平(B)的影响

图4:富氢水对黄瓜外植体乙烯产量(A)和2个乙烯相关基因表达水平(B)的影响。

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