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细胞程序性死亡是生物在发育和胁迫反应中的一种受基因调控的、主动有序的细胞死亡过程。研究逆境胁迫下的植物细胞程序性死亡不仅有助于在细胞水平上了解植物对逆境胁迫的生理响应,而且能为进一步研究植物抵御不良环境的机制提供基础资料和研究手段。本论文以盐生植物盐芥(Thellungiella halophila)为实验材料,诱导产生愈伤组织,以愈伤组织诱导建立盐芥悬浮培养细胞系,以300 mM氯化钠诱导盐芥细胞发生细胞程序性死亡(PCD)。对细胞程序性死亡过程中的细胞形态、生化特征进行了检测,对类半胱氨酸蛋白酶3是否参与盐胁迫诱导的细胞程序性死亡进行了研究,并对促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)在盐胁迫诱导的细胞程序性死亡过程中的作用进行了初步研究,主要研究结果如下:
(1)建立了盐芥悬浮细胞的诱导模式。经过反复实验,在添加了1 mg/L2,4-dichlorophenoxyacetic acid(2,4-D)和0.5 mg/L6-Benzylaminopurine(6-BA)的MS固体培养基(pH5.8)上成功地诱导并获得了淡黄色、结构疏松且生长速度快的愈伤组织,将这种愈伤组织在添加了0.5 mg/L2,4-D和0.5 mg/6-BA的MS液体培养基(pH5.8)中摇床培养,诱导出生长周期为8天左右的盐芥悬浮培养细胞。经过3-4次继代培养后,首次建立起稳定生长的盐芥悬浮细胞系,指数期生长的细胞活力达到90%以上。
(2)建立了高浓度盐胁迫诱导植物细胞程序性死亡的模式,对PCD过程中的细胞超微结构观察发现,液泡发挥自体吞噬功能,从而首次证明自体吞噬与盐生植物盐芥程序性死亡过程存在着直接的联系。TUNEL反应显示在0-300 mM氯化钠范围内随着盐胁迫浓度的增加,TUNEL-阳性核比例增加,在300 mM氯化钠胁迫下TUNEL-阳性核比例达到最高值,盐浓度进一步增加并不会导致TUNEL-阳性核比例升高,反而显著降低,说明在本实验体系中300 mM是诱导盐芥细胞发生程序性死亡的合适浓度。随后检测300 mM氯化钠胁迫不同时间后TUNEL-阳性核的发生,发现在胁迫12小时后TUNEL-阳性核比例达到最大,随后逐渐降低。对细胞色素c释放的蛋白杂交分析结果发现,细胞色素c释放明显早于DNA“梯带”的发生。在结合使用半胱氨酸蛋白酶3抑制剂Ac-DEVD-CHO处理下,检测了在细胞程序性死亡发生过程中类半胱氨酸蛋白酶3的活力,发现该酶活力随着胁迫时间的延长而增加,100μM Ac-DEVD-CHO预处理能显著降低酶活力,与单独用300 mM氯化钠胁迫相比,盐芥细胞TUNEL-阳性核比例统计显著降低,从32%下降到21%,P<0.05(胁迫12小时后的数据)。同时发现,Ac-DEVD-CHO能在一定程度上保护细胞免受坏死性死亡,与单独用300 mM氯化钠胁迫相比,存活细胞从61.34%上升到71.31%,P<0.05(胁迫12小时后的数据)。对细胞程序性死亡过程中的DNA“梯带”的检测发现,Ac-DEVD-CHO几乎能完全抑制单独用300 mM氯化钠胁迫下产生的DNA“梯带”,说明类半胱氨酸蛋白酶3信号参与高浓度盐(300 mM氯化钠)胁迫所诱导的植物细胞程序性死亡过程。
(3)证实了ERK1/2-like在高盐胁迫诱导的PCD中的作用。在300 mM氯化钠胁迫下,使用特异性抗体检测到ERK-like蛋门激酶在10分钟内被激活,结合使用MEK/ERK特异抑制剂U0126发现,该抑制剂能显著抑制ERK1-like蛋白激酶的激活,同时还发现TUNEL-阳性核比例随着使用U0126而显著增强,与单独用300mM氯化钠胁迫相比,TUNEL-阳性核比例从31.59%增加到42.49%(胁迫12小时后的数据),细胞坏死比例从38.66%增加到52.08%(胁迫12小时后的数据)。而且,使用U0126明显增强了细胞色素c和活性氧的释放。这些数据说明ERK-like可能参与高浓度盐(300 mM氯化钠)胁迫诱导的植物细胞程序性死亡的调控过程。
以上三方面的研究,在细胞水平上为了解植物对高盐胁迫的生理响应,进一步研究植物抵御不良环境的机制提供了依据。