擬南芥細胞周期調節(jié)基因ATR介導的鋁毒引起的根生長抑制機制研究.pdf

1、酸性土壤占世界耕地面積的30％以上，而鋁毒是酸性土壤中限制作物生長最主要的因素。大量研究表明，鋁可以與細胞壁、細胞膜、細胞內(nèi)組分等多個位點進行相互作用，但是鋁與哪些位點作用是導致鋁毒害最主要的原因目前還存在爭議。之前的研究發(fā)現(xiàn)，ATR基因的突變可以增強對鋁毒的抗性，并且能夠挽救als3突變體對鋁毒的敏感性。ATR的主要功能是負責監(jiān)測DNA單鏈和復制叉損傷，然后通過激活細胞周期開關機制來阻礙細胞周期進入下一個階段，從而讓細胞有時間對損傷D

2、NA進行修復，保證基因組的完整性。在atr突變體中由于不對鋁毒產(chǎn)生的DNA損傷進行應激反應，細胞分裂和根生長不受抑制，從而導致突變體更抗鋁毒。同時該研究結果也認為，鋁引起的DNA損傷是鋁毒害的主要機制，但是該假說并不能充分解析之前的其它鋁毒害現(xiàn)象和機制。
　　為了進一步探究atr的抗鋁毒機制，本研究選取了5個對鋁毒敏感的突變體als3、star1、stop1、almt1、als1，分別與atr突變體進行雜交構建雙突變體材料，然后分

3、析各雙突變體的抗鋁毒表型，揭示atr與各鋁毒敏感突變體在遺傳上的上下游關系，并探明atr在挽救鋁毒敏感突變體表型上的作用機制，主要結果如下:
　　(1)基于根生長的抗鋁毒表型實驗揭示atr不僅能恢復als3對鋁毒的抗性，而且能恢復star1對鋁毒的抗性。Evans blue染色表明雙突變體的細胞質膜損傷程度降低，證明atr能夠恢復對als3、star1對鋁毒的抗性。但是通過對雙突變體star1 atr中鋁含量的測量發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)的鋁

4、積累并沒有減少，而且熒、光定量PCR表明star1atr中抗鋁毒基因的表達也與野生型無異，表明atr并不通過主動排鋁或者上調抗鋁毒機制來恢復als3、star1對鋁毒的抗性。因為atr的修復作用對als3和star1都起作用,star1 als3雙突變體與star1、als3單突變體對鋁毒的敏感性一樣，并沒有表現(xiàn)累加效應，atr能將雙突變體star1 als3對鋁毒的抗性恢復到野生型水平，進一步間接驗證了ALS3和STAR1可以相互作用

5、，而且位于同一個通路上。
　　(2)通過測量相對根長實驗發(fā)現(xiàn)在加鋁條件下almt1atr、stop1atr根長與單突變體almt1、stop1無異，說明atr不能恢復almt1、stop1對鋁毒的抗性。Evans blue染色揭示雙突變體almt1atr、stop1atr的細胞質膜損傷程度較大，與almt1、stop1相比沒有絲毫減輕，這也佐證了atr不能挽救almt1、stop1對鋁毒的敏感性的結論。采用 ICP-MS對各材料的

6、鋁含量進行測定，發(fā)現(xiàn)雙突變體almt1atr、stop1atr與相應單突變體almt1、stop1中鋁含量沒有差異，這與atr不能改變almt1、stop1的鋁毒敏感表型一致。ALMT1主要通過轉運蘋果酸到細胞外進行螯合和解除鋁毒，而STOP1主要通過調控ALMT1的表達來介導對鋁毒的抗性，因此ALMT1和STOP1主要采用外部解鋁毒機制進行抗鋁毒。atr不能恢復almt1、stop1對鋁毒的抗性提示atr對外部解鋁毒機制缺陷的植株不能

7、恢復其對鋁毒的抗性。
　　(3)抗鋁毒根生長表型分析和Evans blue染色實驗都表明atr能恢復als1對鋁毒的抗性。ALS1編碼一個定位液泡膜的ABC轉運蛋白，它主要負責將細胞質的鋁隔離到液泡中。因此，該研究結果提示atr對細胞內(nèi)部解毒機制缺陷能夠進行挽救，另外還提示als1對鋁毒的敏感性可能主要由于DNA損傷引起。
　　(4)綜合以上遺傳分析和抗鋁毒表型分析結果，我們認為atr可以緩解細胞內(nèi)部鋁毒引起的傷害，但不能減