近零磁场对拟南芥生长发育影响初探及趋磁细菌(Magnetospirillum magneticum）铁还原酶基因 MmFre 的克隆和功能分析

地磁场伴随着生命的起源、发生和进化，地球上的一切生命无时无刻不处于地球磁场中。地球自诞生以来，地磁场的强度一直在细微变化，但地磁场强度减弱会对植物产生什么样的直接影响尚知之甚少。随着对太空探索的不断发展，人类越来越需要了解处于零磁场环境的太空中生物的适应性。近零磁场是地磁场的恒定组分降低为零或者接近零的空间。本论文利用近零磁场环境探索了地磁场减弱对拟南芥整个生长周期的影响，开展了近零磁场下拟南芥短期生长试验，主要包括种子的萌发、暗培养、根生长、幼苗鲜重和根向重性分析，以及对近零磁场下拟南芥整个生长周期的表型进行了观察统计分析。结果发现(1)无论在光照还是暗培养的环境中，近零磁场对拟南芥种子的萌发、幼苗根的伸长、鲜重变化以及根向重性等的影响较小。(2)对拟南芥整个生长周期过程中表型变化进行的观察和统计分析发现：近零磁场环境中，拟南芥可以完成正常的生活史;但植株开花时间推迟、开花持续时间延长、枝条数减少、植株高度受到了抑制，种子千粒重降低。表明近零磁场对拟南芥营养生长的影响较小，而对生殖生长的影响较明显，暗示地磁场作为环境因子可能参与影响植物的生殖生长。 趋磁细菌(Magnetospirillum magneticum)是一种可以沿磁力线方向运动的特殊的细菌，其胞内铁含量是菌体干重的3％，是非磁性细菌的数百倍，其中的铁主要以Fe3O4/Fe3S4 形式存在于磁小体(magnetosome) 中。趋磁细菌主要通过分泌转铁载体吸收环境中的三价铁。在磁小体合成过程中，三价铁还原为二价是一个必需的过程，因而铁还原酶在趋磁细菌的铁还原过程中可能起着重要的作用。我们以趋磁细菌AMB-1 为材料，克隆了预测的铁还原酶基因，命名为MmFre ，并在内源铁还原酶活性较低的酵母突变株S288C fre1 fre2 中进行异源超表达，对其铁还原活性进行了初步分析;同时结合GFP 融合蛋白技术对该基因的表达产物进行了酵母的亚细胞定位。结果表明：(1)利用生物信息学分析发现，MmFre 基因编码区含有1335 bp，编码444 个氨基酸残基;氨基酸序列中含有一个FAD 结合位点，并具有6 个跨膜结构域;(2)该基因在酵母表达后利用酵母活体进行酶活性检测发现，其铁还原酶活性是对照组的4 倍，暗示该基因在真核生物中的表达产物可以执行铁还原的功能;(3)利用激光共聚焦显微镜观察发现该基因的表达产物与GFP 构成的融合蛋白广泛的定位在细胞的膜上。因而，MmFre 基因的表达产物确实具有铁还原酶活性，且没有膜特异性分布，其对趋磁细菌磁小体生物合成中铁的还原可能起着重要作用。

拟南芥砷酸还原酶基因AtACR2的表达调控及其功能分析

将砷酸盐还原为亚砷酸盐是植物砷代谢途径中的关键步骤，其中砷酸还原酶是催化砷酸盐还原的关键酶。目前，对植物中砷酸还原酶基因的表达调控机制及该基因的功能了解得还不是很清楚。因此研究拟南芥砷酸还原酶基因的表达调控及其功能对于探讨植物对砷吸收、代谢、转运和富集的分子机制有重要意义。 本论文利用拟南芥砷酸还原酶基因（AtACR2）的启动表达调控序列的不同组合驱动GUS基因转录表达，对AtACR2启动表达调控序列的功能进行了分析；同时利用过表达、AtACR2基因T-DNA插入缺失突变体和地上部特异表达对拟南芥和蜈蚣草砷酸还原酶的基因功能进行了初步分析，主要结果如下： 1．对拟南芥AtACR2基因在不同砷酸盐处理浓度(0、100 yM、200 yM) 下的RT-PCR分析初步表明：在未用Na3As04处理的拟南芥幼苗中，AtACR2基因在根和茎叶中均有表达，且其在根中的转录水平高于茎叶中。同时该基因的表达在转录水平上受砷酸盐的负调控，即随着外界砷酸盐浓度的升高，AtACR2基因的转录水平降低。 2．将AtACR2基因不同启动调控序列组合驱动GUS基因转录表达，结果表 明：①由AtACR2基因上游1250 bp及其5’端非编码医构成的启动调控序列不足以启动AtACR2基因的转录表达和砷酸盐胁迫的应答；②在第一外显子和第一内含子中存在启动AtACR2基因起始转录表达的关键序列元件，它们的存在决定了该基因能否得以转录表达；⑧第一外显子和第一内含子序列中不仅存在起始基因转录的必需元件，还存在砷胁迫相关的应答元件，参与砷酸盐抑制AtACR2基因的转录表达调控；④在第二外显子和第二内含子中可能存在增强基因表达的调控元件序列，进一步影响该基因转录表达强度的调控。 3． 拟南芥AtA CR2基因和砷超富集植物蜈蚣草PvA CR2基因在拟南芥中过表达后的功能分析初步表明：①转基因植株能够通过减少体内As含量增强对砷酸盐的抗性；②两种植物的砷酸还原酶作用能力存在一定差异，其中超表达蜈蚣草PvA CR2能够使转基因植株根中As含量更少，但其对砷酸盐胁迫的抗性并没有AtACR2超表达植株强，这可能与转 PvA CR2基因植株地上部积累相对较高的砷含量有关。 4．将AtA CR2和PvA CR2在拟南芥中地上部特异表达后，抗性实验初步表明：①以野生型拟南芥为背景材料进行地上部特异超表达AtACR2或PvA CR2基因，不能增强转基因植株对砷酸盐抗性；②以AtA CR2基因的T-DNA插入缺失突变体为背景材料地上部特异表达AtACR2或PvA CR2基因，却能够明显增强转基因植株对砷酸盐的抗性。综上所述，植物砷酸还原酶基因在植物对砷酸盐胁迫的响应和调控中起着重要作用。