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甲烷对植物生长具有调节作用

已有 8304 次阅读 2015-3-10 15:02 |个人分类:甲烷生物学|系统分类:论文交流

甲烷是最简单的有机物,也被认为是最重要的温室气体之一,作为植物和细菌的重要代谢产物,理论上应该对植物生长产生影响,过去人们对这种气体的生理效应研究非常少见,最近来自南京农业大学生命科学院沈文飚课题组,对甲烷调节黄瓜幼苗根生长调节的作用及分子机制进行了研究,研究发现甲烷能通过血红素加氧酶/一氧化碳和钙离子影响侧根的生长。这一研究意味着甲烷可能是一种植物生长调节分子,对植物生长调节具有重要作用。由于一些细菌和植物具有合成甲烷的作用,那么这些能合成甲烷的植物和细菌,可能对植物生长具有影响,甲烷作为地球上最丰富的有机物,或许可作为一种植物生长调节剂对农业产生影响,甲烷和水可以形成水合物,能作为一种高浓度给甲烷手段用于农业,或许这将成为一种新型绿色农药或甲烷肥料用于农业。

甲烷这种最简单的有机物,也是天然气中最主要的物质形式,植物和细菌都可以大量产生甲烷,这种大量产生的甲烷一直被环境保护者关注,因为这种气体能破坏臭氧层,所以被认为是恶劣的温室气体。有机物的一个含义是生物分子,奇怪的是这种最丰富最常见的生物代谢气体,过去很少受到生物学和医学领域的关注。这是相当不正常的,甲烷对植物和动物的效应,是非常值得重视的研究课题。希望大家关注关心这一生物气体的研究。本人去年获得国家自然科学基金资助开展甲烷对组织缺血再灌注损伤的研究,目前已经形成论文投稿。不过没想到,南京农业大学在植物效应研究走在前面。

植物侧根形成受到多种激素调节,其中生长素是最重要的植物激素,能通过刺激细胞分裂和原基形成启动侧根发生的过程,黄瓜根是一种被广泛使用的侧根研究模式,曾经用于研究植物生长激素的效应和机理。研究发现,一氧化氮、血红素加氧酶/一氧化碳、硫化氢、GMPMAPK和钙离子等都参与这一过程调节。

一氧化碳是一种重要的气体信号分子,在动物系统中被广泛研究,这种气体可被血红素加氧酶催化血红素分解产生,因此血红素加氧酶/一氧化碳被共同作为信号调节系统看待,在植物应激和正常发育过程中,这一系统都发挥重要作用。多种类型的植物都具有血红素加氧酶基因,有两类四种不同的亚型。血红素加氧酶134能将血红素分解为胆红素、一氧化碳和铁离子。这三种属于一个亚型。血红素加氧酶2没有这种催化活性。黄瓜血红素加氧酶1 CsHO1已经被克隆,研究发现CsHO1在生长激素和硫化氢调节侧根发育中发挥作用。

 

 

钙离子也是非常关键的植物信号分子,在环境刺激和植物发育过程中发挥重要作用,细胞钙离子浓度一般通过离子通道调节,其细胞内感受分子为钙结合蛋白,如钙调素、钙调素样蛋白、钙依赖蛋白激酶和钙调磷酸酶b-样蛋白等,这些分子都是钙离子相关的重要信号调节分子。研究表明,钙离子和钙依赖蛋白激酶在生长激素诱导的黄瓜侧根形成过程中具有重要作用,钙调素和钙离子在一氧化氮和过氧化氢的侧根形成调节效应中发挥作用。

最近几年,关于氢气的植物调节作用逐渐受到重视,研究发现氢气也是一种重要的植物调节气体信号分子,氢气对黄瓜侧根形成过程也具有调节作用。甲烷作为一种最简单的有机气体分子,过去一直认为属于生理惰性气体,但最近有学者发现这种气体对动物组织炎症具有对抗作用,植物在受高温、切割损伤和紫外线照射时,会增加甲烷的释放。也有学者发现植物细胞线粒体能产生甲烷,这些信息暗示甲烷对植物可能具有调节作用。本研究是国际上第一次关于甲烷植物调节效应的报道。

Cui W1, Qi F, Zhang Y, Cao H, Zhang J, Wang R, Shen W. Methane-rich water induces cucumber adventitious rooting through heme oxygenase1/carbon monoxide and Ca(2+) pathways. Plant Cell Rep. 2015 Mar;34(3):435-45. doi: 10.1007/s00299-014-1723-3. Epub 2014 Dec 12.

Methane-rich water induces cucumber adventitious rooting.pdf

南京农业大学沈文飚教授是在国际上发表氢气植物效应最多的学者,发表的相关论文有:

Su N, Wu Q, Liu Y, Cai J, Shen W, Xia K, Cui J. Hydrogen-rich water reestablishes ROS homeostasis but exerts differential effects on anthocyanin synthesis in two varieties of radish sprouts under UV-A irradiation. J Agric Food Chem. 2014 Jul 9;62(27):6454-62

Cui W, Fang P, Zhu K, Mao Y, Gao C, Xie Y, Wang J, Shen W. Hydrogen-rich water confers plant tolerance to mercury toxicity in alfalfa seedlings. Ecotoxicol Environ Saf. 2014 Jul;105:103-11

Xie Y, Mao Y, Zhang W, Lai D, Wang Q, Shen W. Reactive Oxygen Species-Dependent Nitric Oxide Production Contributes to Hydrogen-Promoted Stomatal Closure in Arabidopsis. Plant Physiol. 2014 Apr 14;165(2):759-773

Chen M, Cui W, Zhu K, Xie Y, Zhang C, Shen W. Hydrogen-rich water alleviates aluminum-induced inhibition of root elongation in alfalfa via decreasing nitric oxide production. J Hazard Mater. 2014 Feb 28;267:40-7.

Jin Q, Zhu K, Cui W, Xie Y, Han B, Shen W. Hydrogen gas acts as a novel bioactive molecule in enhancing plant tolerance to paraquat-induced oxidative stress via the modulation of heme oxygenase-1 signalling system. Plant Cell Environ. 2013 May;36(5):956-69.

Lin Y, Zhang W, Qi F, Cui W, Xie Y, Shen W. Hydrogen-rich water regulates cucumber adventitious root development in a heme oxygenase-1/carbon monoxide-dependent manner. J Plant Physiol. 2014 Jan 15;171(2):1-8

Cui W, Gao C, Fang P, Lin G, Shen W. Alleviation of cadmium toxicity in Medicago sativa by hydrogen-rich water. J Hazard Mater. 2013 Sep 15;260:715-24.



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