课题新型抗逆信号分子H2S对白桦NO和三萜合成调控的初步研究.doc

课题名称 新型抗逆信号分子H2S对白桦NO和三萜合成调控的初步研究 拟申请的课题经费 5 万 课题执行年限 2012年1月～2014年 12 月 课题研究内容提要（限200字以内） 硫化氢（H2S）是继一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）后的第3个气体信号分子。研究发现，H2S在植物中有类似NO的功能，NO是调控次生代谢物合成的关键信号分子，H2S是否能调控次生代谢物的研究还未见报道。为此，本研究以产白桦三萜的白桦悬浮细胞系为研究试材，采用药理学、生理学和分子生物学技术，分析H2S与NO间的信号关系和H2S对三萜合成的调控作用，该研究为了解H2S在植物中的抗逆机理和有用次生代谢物的调控研究提供理论依据。 五、课题研究内容 ⑴课题研究内容、背景、意义 （一）研究的目的和意义 次生代谢产物的低产现象是制约细胞培养植物天然产物技术产业化应用的核心问题之一，理解和掌握植物细胞次生代谢调控规律是解决这一问题的基础。虽然，国内外研究者针对植物培养细胞中次生代谢物低产问题进行了研究，包括优质细胞系的选育、培养条件的优化、培养技术改进以及活性物质合成关键酶基因的克隆等（Yamamoto等, 1982；梅兴国, 2001；王博等, 2008；Volkman, 2005）。但到目前为止，植物细胞中次生代谢物的低产问题仍未得到很好解决。植物体内的次生代谢物质的生物合成容易受外界因素的影响，而细胞内部的信号转导系统是介导外界因子诱发植物次生代谢产物合成的桥梁和纽带（Xu等，2005）。因此，寻找有效促进次生代谢物积累的诱导子和探讨植物细胞中与次生代谢产物合成有关的信号转导机制，将有助于揭示植物次生代谢的调控规律, 对解决植物细胞次生代谢产物低产等问题具有重要的理论和实践意义。 近年来，植物抗逆(包括抗病)反应等信号转导机制研究取得了很大的进展，揭示了一些新的信号分子和信号转导机理，这无疑将为植物次生代谢信号调控机理研究带来许多便利。硫化氢（H2S）被作为继一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）之后的第3 种内源性气体信号因子，与一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）有惊人的相似之处（Riemenschneider等，2005；Zhang等，2011），而NO在植物次生代谢信号转导网络中的起潜在的分子开关作用（徐茂军，2009；Nürnberger等，1994），H2S与NO的关系如何？H2S能否调控植物次生代谢物？此方面的研究还未见报道。 为此，本项目在本课题组进行的多年白桦三萜含量变异的种源选择、白桦愈伤组织固体培养/液体悬浮培养获取高含量齐墩果酸成熟的培养技术以及诱导子提高三萜含量调控技术的基础上提出的（范桂枝和詹亚光2007，2009，2010和2011）。针对NO能促进白桦三萜的合成，研究H2S与NO间的信号关系，从代谢水平和基因转录水平验证H2S对白桦三萜的调控作用。本研究的开展为白桦三萜类物质的生物技术利用提供理论依据和技术支持、丰富诱导子/信号分子对次生代谢产物调控理论，并为细胞大规模培养生产白桦三萜等奠定基础。 （二）研究背景 ① 一氧化氮在植物中的研究现状 一氧化氮（Nitric oxide，NO）是一种易扩散的生物活性分子，在动植物的多种生理活动中发挥着重要作用[1]。植物中可通过一氧化氮合酶（NOS）、硝酸还原酶（NR）、黄嘌呤氧化还原酶（XOD）和非酶促途径产生NO[2]。NO是一种亲脂性的不稳定小分子，其性质很适合执行多种生物功能。NO很容易穿透生物膜，这有利于影响与产生NO的细胞相邻近的靶细胞。已有大量研究证明，NO是植物中一种关键信号分子，参与植物体内多种生理代谢，包括促进植物生长，延缓叶片、花和果实衰老机能，促进种子休眠和萌发，调节气孔运动，诱导细胞程序性死亡（Programmed cell death，PCD）和防御相关基因的表达[2~4]。 NO的信号功能研究发现，NO及其衍生物能够直接修饰底物蛋白的金属基团、半胱氨酸和酪氨酸残基，通过金属亚硝基化、巯基亚硝基化和Tyr-硝基化等化学修饰方式，调节靶蛋白的活性，并影响cGMP和Ca2+信使系统等下游信号途径，调控相应的生理过程[3~4]。必威体育精装版的一些研究结果也显示，MAPK级联系统与NO信号转导途径之间存在复杂的交叉调控。此外，作为活跃的小分子信号，NO和活性氧相互依赖并相互影响，共同介导了植物的胁迫应答和激素响应过程[5]。 最近的研究表明，NO 可以调控次生代谢物的合成，并在植物细胞次生代谢信号调控网络中起潜在的分子开关作用[6]。被确认参与植物细胞次生代谢产物合成调控的信号分子还有茉莉酸(JA)、活性氧中间体(ROI)、水杨酸(SA) 等。细胞内的各种信号分子往往通过特定的相互作用或者应答反应(cross-talk)，才能最终实现信号