黑麦草滞绿基因NOL与ROS系统生理相关性研究(2)
ROS 是生物有氧代谢过程中的一种副产品，它包括氧离子、过氧化物和含氧自由基等[5]。ROS 作为新陈代谢的产物在各类细胞中不断地产生和清除，任何细胞内水平的改变，都很可能导致细胞内部活性的变化[6]。生物和非生物胁迫的介入都可使 ROS 的水平升高，其中叶绿素降解的抑制可导致 ROS 的产生和细胞死亡。当 ROS 过量产生时，植物细胞会利用系统的抗氧化防御机制来抵消 ROS的不利作用，它包括非酶促清除机制和酶促清除机制。酶促清除系统主要包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，简称 SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase ，简称 APX）及过氧化氢酶（catalase，简称 CAT）等。SOD 是含金属辅基的酶,高等植物含有两种类型的 SOD：Mn-SOD和 Cu/Zn-SOD，它们都能催化 O2-歧化，使超氧化物通过歧化反应转化为 O2和 H2O2[7]。接着，在 APX、CAT和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，简称 GPX）等的作用下H2O2被转化为水合分子氧，ROS的毒害作用得以降低。非酶促清除系统主要包括抗坏血酸盐、还原型谷胱甘肽（glutathiose，简称 GSH），以及文生素 E、甘露醇、类胡萝卜素及类黄酮等抗氧化物质，这些物质可以与 ROS 直接反应，也可以作为酶的底物在 ROS清除机制中出现。其中 GSH是细胞内最重要的抗氧化物，它的结构中含有一个易被氧化脱氢的巯基，这个结构使它成为植物体内的主要自由基清除剂。若细胞内有少量 H2O2生成时，GSH可在 GPX作用下，将 H2O2还原为H2O，自身被氧化为 GSSG（谷胱甘肽的氧化型），在谷胱甘肽还原酶的作用下 GSSG接受 H+还原成 GSH，使体内的自由基清除反应能持续进行。大量研究表明，诱导细胞内抗氧化机制可以提高植物抗活性氧的能力。有效清除植株体内的 ROS，可以提高多种作物对非生物胁迫的抗性。调控植物 ROS 的水平和其防御机制对于提升作物的抗逆性来说有良好的应用前景[8]。已有研究发现，植物体内大量的 ROS 在叶绿体内产生[9]。然而，目前针对叶绿体蛋白对 ROS 产生的机制及其对植物耐热的影响均不十分清楚。4.NOL 基因研究表明，植物的黄变与叶绿素和叶绿素-蛋白质复合物的降解有关[10]。
曾有研究发现水稻的 NON-YELLOW COLORING1（NYC1）基因编码蛋白定位于叶绿体中，且它具有还原酶活性，因而推测 NYC1基因有叶绿素 b 还原酶活性，有可能编码叶绿素 b 还原酶, 其作用是催化叶绿素 b 的降解，它在叶绿素 b 还原酶催化叶绿素降解的第一步中是必要的。而 NYC1-LIKE (NOL)被认为是与 NYC1 关系最为密切的蛋白，它们的突变体显示出相近的滞绿表型，即在试验中叶片衰老过程中叶绿素 b 的降解受到严重抑制，捕光复合物 II 被选择性地保留，这导致叶片的类囊体基粒在叶片衰老后期仍被保留。而双突变体的 nyc1nol 显示对叶绿素降解的抑制作用没有明显增强[11]。水稻的 nol 功能丧失性突变体表现为滞绿表型。滞绿的定义是指植物在衰老过程中叶绿素不降解或降解不明显的现象。滞绿的最显著特征为植株在生育末期叶片保持绿色的时间较长，甚至完全不黄化[12]。研究植物滞绿机理，对叶绿素的分解代谢、电子传递、植物激素响应与信号传导的途径，以及植物抗旱、抗盐等抗逆性等各方面研究都具有重大意义[13]。虽然在模式植物中，NOL 基因已经被克隆出来。但目前没有针对 NOL 蛋白影响 ROS产生及植物耐热的相关研究报道。5.本研究的意义草坪草的滞绿性状有助于延迟草坪的绿期。 NOL基因是叶绿素代谢的重要降解酶编码基因，通过调控 NOL等叶绿素降解基因的表达，可以创制或提高草坪草的滞绿性状。对 NOL基因是否能够通过调控 ROS的产生，尚不明确。该课题的研究结果将为这一命题提供解答，相关植物材料可以作为育种材料培养滞绿高抗的黑麦草新品系。