Improved oxidative tolerance in suspension-cultured cells of C4-peptransgenic rice by H2O2 and Ca2+ under PEG-6000
- 作者
- Baoyun Qian, Xia Li, Xiaolong Liu, Man Wang
- 单位
- Institute of Food Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Jiangsu High Quality Rice Research and Development Center, Nanjing Branch, China National Center for Rice Improvement; College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University; Provincial Key Laboratory of Agrobiology, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences
- 杂志
- Journal of Integrative Plant Biology（2014）
- DOI
- 10.1111/jipb.12283
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
过表达玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的水稻悬浮细胞在干旱胁迫下的分子响应机制尚不清楚，尤其是H2O2、NO和Ca2+信号分子如何协作调控PEPC活性和抗氧化防御。
研究策略
以野生型（WT）和转C4-pepc基因（PC）水稻悬浮培养细胞为材料，利用20% PEG-6000模拟干旱胁迫，并分别添加H2O2抑制剂DMTU、NO合成抑制剂cPTIO、钙螯合剂EGTA、钙通道流出抑制剂RR及质膜钙通道阻断剂La(NO3)3，检测细胞存活率、相对水含量、MDA、抗氧化酶活性、H2O2/NO/Ca2+含量、PEPC活性及相关基因表达水平，从而解析信号通路。
核心内容
该研究以过表达玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的转基因水稻（PC）和野生型（WT）悬浮细胞为材料，利用20% PEG-6000模拟干旱胁迫，结合H2O2清除剂DMTU、NO合成抑制剂cPTIO及多种Ca2+通道阻断剂处理，解析了干旱下H2O2、NO和Ca2+信号对PEPC活性及抗氧化防御的调控机制。结果显示，PC细胞较WT具有更高的存活率、相对水含量和干重，丙二醛含量更低；PEG处理下PC的H2O2水平显著低于WT，而超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶活性在4小时和8小时时明显高于WT，过氧化氢酶活性无显著差异。添加DMTU或cPTIO可进一步增强PC的PEPC活性，而EGTA联合钌红及硝酸镧处理则显著抑制该活性，并降低C4-pepc和cu/zn-sod表达，表明Ca2+内流位于H2O2信号上游。PEG还上调了转录因子NAC6的表达。该研究揭示了PC水稻通过下调H2O2并促进胞外Ca2+内流，增强PEPC活性和抗氧化酶系统，进而降低活性氧积累、提高干旱氧化耐受性的分子通路，为C4-pepc改良作物抗旱性提供了信号层面的理论依据。
创新点
在细胞水平上揭示了PC水稻通过下调H2O2和促进胞外Ca2+内流来增强PEPC活性和C4-pepc表达，提高氧化耐受性；明确了Ca2+信号位于H2O2上游；发现转录因子NAC6可能参与上游调控。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻悬浮培养细胞（PC和WT，Oryza sativa L.） | C4光合途径 | C4-pepc | 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC） | 催化 | 玉米C4型pepc基因在PC中过表达，PEG胁迫下PEPC活性增强。 |
| 水稻悬浮培养细胞（PC和WT） | 抗氧化防御 | cu/zn-sod | 铜锌超氧化物歧化酶（SOD） | 催化 | PC在PEG处理后SOD活性显著高于WT，清除超氧阴离子。 |
| 水稻悬浮培养细胞（PC和WT） | 抗氧化防御 | — | 抗坏血酸过氧化物酶（APX） | 催化 | PC在PEG处理后APX活性显著高于WT。 |
| 水稻悬浮培养细胞（PC和WT） | 抗氧化防御 | — | 过氧化氢酶（CAT） | 催化 | CAT活性在PC和WT间无显著差异。 |
| 水稻悬浮培养细胞（PC和WT） | 逆境信号转导 | NAC6 | NAC6转录因子 | 调控 | PEG处理上调NAC6表达，可能参与抗氧化防御和C4-pepc表达的上游调控。 |
关键发现
- 在20% PEG-6000（1.01 MPa）处理下，PC悬浮细胞相比WT具有更高的存活率、相对水含量和干重，MDA含量更低
- PC的SOD和APX活性在4h和8h时显著高于WT，CAT活性无显著差异
- PEG处理使WT的H2O2含量显著高于PC
- NO含量在两者中均升高，而PC的Ca2+含量显著低于WT
- PEPC活性在PC中显著高于WT，添加DMTU（5 mmol/L）和cPTIO（200 μmol/L）可进一步增强PC的PEPC活性，而EGTA（6 mmol/L）+RR（0.3 μmol/L）+La(NO3)3（25 mmol/L）则显著抑制
- PEG处理上调C4-pepc、cu/zn-sod和NAC6的转录水平，La(NO3)3组合处理降低C4-pepc和cu/zn-sod表达。
研究结论
过表达玉米C4-pepc基因的水稻悬浮细胞通过下调H2O2水平并促进胞外Ca2+内流，增强PEPC活性和C4-pepc表达，同时上调NAC6等转录因子及SOD、APX等抗氧化酶活性，从而降低ROS和MDA积累，维持较高的相对水含量和存活率，提高对干旱胁迫的氧化耐受性。