氢气促进拟南芥根生长发育的分子机制初探开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

过去，氢气(hydrogen gas, h₂)被认为无生物活性。2007年《nature medicine》报道，h₂缓解大鼠大脑中动脉缺血再灌注导致的氧化损伤^[1]，从而掀起了研究h₂生物学效应的热潮。h₂可在某些藻类^[2]和细菌中由氢酶（hydrogenase）催化产生。氢酶分为[ni-fe]氢酶和[fe-fe]氢酶，[ni-fe]氢酶存在于产氢细菌和绿藻中，[fe-fe]氢酶存在于厌氧细菌和蓝藻中^[3]。动物和植物体内未鉴定到氢酶，但盐和干旱等胁迫可诱导植物产生h₂^[4-5]。

自然环境中，植物会遭受非生物胁迫与生物胁迫，非生物胁迫如重金属胁迫、渗透胁迫、药物胁迫、冷热胁迫和紫外胁迫等，生物胁迫如病原体感染和昆虫或动物取食等。研究表明，h₂参与植物抵抗这些胁迫。h₂能提高拟南芥耐盐性，其机制是h₂上调锌指转录因子zat10/ 12的基因和蛋白，维持细胞内离子稳态^[6]。h₂预处理能缓解铝胁迫导致的苜蓿幼苗根生长受抑制，其机制是h₂降低幼苗体内no的合成^[7]。与此类似的是，h₂能促进铝胁迫下水稻种子的萌发^[8]，这与h₂调控mirna表达有关。h₂还可提高番茄果实的多酚氧化酶（polyphenol oxidase, ppo）活性和一氧化氮（nitric oxide, no）含量，从而增强对黑霉菌的抗性^[9]。

植物的侧根参与了植物的固着以及水与营养元素的吸收，植物不定根的发育对植物无性繁殖具有重要意义。h₂参与调控植物侧根发育和不定根发育。研究表明，生长素诱导产生的h₂参与了拟南芥幼苗侧根的发生^[10]。h₂还可促进干旱胁迫下黄瓜不定根的发生，这与一氧化碳（carbon monoxide, co）的产生有关^[11]。此外，h₂能使水果和花卉保鲜。h₂通过抑制乙烯合成相关酶的活性，从而降低乙烯释放量，延缓猕猴桃的成熟和腐烂^[12]。总之，h₂的生物学效应正被不断发掘。

2. 研究的基本内容和问题

本研究将初步探究ATX1、pICHD、CS4和G6PD6是否参与H₂促进拟南芥根生长发育。

3. 研究的方法与方案

本研究所采用的植物材料为野生型拟南芥(Arabidopsis thalianaL.)和氢酶过表达拟南芥(CrHYD1-3、CrHYD1-5和CrHYD1-6)，品种为哥伦比亚生态型（Columbia）。本研究中氢酶（iron hydrogenase, HYD1）来源于莱茵衣藻（Chlamydomonasreinhardtii）。将拟南芥种子消毒后春化2天，置于1/2 MS固体培养基上，并在21 ℃、16 h光/8 h暗的光照培养箱中培养10天。当拟南芥到达5日龄时，提取其根的总RNA并反转录为cDNA，并通过荧光定量PCR测定ATX1、pICHD、CS4和G6PD6的表达量。当拟南芥到达10日龄时，测量主根长度和最长的侧根长度，并统计侧根数量。

4. 研究创新点

本研究将利用氢酶过表达拟南芥和荧光定量PCR技术初步探究H₂促进拟南芥根生长发育的分子机制。

5. 研究计划与进展

2019.3.16-2019.3.30 培养拟南芥幼苗，提取rna并反转录。测量幼苗主根长度和最长的侧根长度，并统计侧根数量。

2019.4.1-2019.5.1 通过荧光定量pcr测定atx1、pichd、cs4和g6pd6的表达量。