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我国耕地镉污染问题突出,已经成为威胁我国食品安全的主要问题之一。植物应答镉胁迫的分子生理机制,包括根系对镉的吸收及植株对镉的耐性机制,是利用生物技术或遗传育种手段培育镉积累量低的作物新品种的理论基础。近年来,许多研究表明信号分子一氧化氮在调控根系对镉的吸收及植株对镉的耐性中发挥重要作用,但镉胁迫过程中调控植物细胞内一氧化氮积累水平的因子仍不清楚。为此,本论文以拟南芥为研究材料,运用植物生理学、遗传学、分子生物学等手段,研究了一氧化氮清除系统S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶(GSNOR)和非共生血红蛋白(AHb1)在植物应答镉胁迫过程中的作用机制。主要研究结果如下:镉胁迫处理显著诱导根中GSNOR基因和GSNOR蛋白的表达,因此增强了S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性。通过分析镉胁迫对野生型Col-0、GSNOR功能缺失突变体gsnor1-3、和GSNOR过表达转基因植株(GSNOROE3和GSNOROE5)中一氧化氮积累和S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶酶活性的影响,发现镉胁迫诱导的一氧化氮积累与S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性与呈负相关。这说明镉胁迫诱导的S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性增强有助于抑制一氧化氮的过量积累。另一方面,利用Col-0、AHb1反义方向表达株系AHb1-L3和AHb1过表达株系AHb1-H7植株为材料,我们发现在镉胁迫条件下,这3个基因型植株根系中的一氧化氮含量与AHb1的表达量无关,说明镉胁迫时AHb1对一氧化氮的清除功能不参与调控植株根系中的一氧化氮水平。我们进一步研究了 GSNOR和AHb1在植物镉吸收中的作用。我们发现Col-0、gsnor1-3、GSNOROE3和GSNOROE5中地上部和根部的镉含量以及根系的镉吸收速率均与S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性呈负相关,这说明GSNOR负调控了植物的镉吸收。然而,Col-0、AHb1-L3和AHb1-H7植株中的镉含量基本一致,说明AHb1不参与调控植物的镉吸收。通过向gsnor1-3植株添加一氧化氮清除剂或向GSNOROE5植株添加一氧化氮供体,我们发现GSNOR对镉吸收的调控作用依赖于一氧化氮的存在。分析镉胁迫对Col-0、gsnor1-3、和GSNOROE5植株IRT1基因表达的影响,发现S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性与IRT1基因表呈达负相关。通过构建irt1-1/gsnor1-3和irt1-1/GSNOROE5双突变体,并比较它们根系的镉吸收速率与irt1-1单突变体之间的差异,我们发现IRT1功能缺失后,GSNOR对植物对根系镉吸收的负调控作用消失。这表明,GSNOR对镉吸收的负调控通过抑制IRT1介导的镉吸收来实现。综上,我们认为:镉胁迫诱导的S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性增加通过抑制一氧化氮介导的IRT1表达,降低了根系对镉的吸收速率,减少了根系对镉的吸收,降低了植株的镉含量。尽管S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性增强降低了植株体内的镉含量,但我们发现Col-0、gsnor1-3和GSNOROE5植株地上部受镉胁迫的毒害程度与s-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性呈正相关。进一步分析发现镉胁迫也能诱导地上部GSNOR基因和GSNOR蛋白的表达,并增强了 S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性。这说明镉胁迫诱导的S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性不利于植物对镉的耐性。进一步分析发现,镉胁迫下Col-0、gsnor1-3和GSNOROE5植株地上部CATs基因表达和CAT活性均与S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性呈负相关,H2O2含量与S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性呈正相关;且外源喷施CAT活性抑制剂3-AT后,GSNOR对CAT活性和H2O2积累量的调控作用消失。这说明,镉胁迫诱导的S-亚硝基化谷胱甘肽还原酶活性增强可通过下调植株地上部CAT相关基因的表达抑制CAT活性,进而增加植株中H2O2的积累,加剧了镉胁迫导致氧化胁迫。