Nifedipine调节白皮松(Pinus bungeana)花粉管蛋白质表达及其对细胞壁构建的影响

花粉管是种子植物受精过程中的雄性生殖单位的载体，由于其生长依赖于胞内Ca2+梯度，并具有典型的顶端极性生长的特点，因而成为近年来研究植物细胞相互识别、胞内和胞外信号传导理想的模式系统。裸子植物花粉与被子植物相比具有萌发时间长、生长缓慢等特点。Ca2+在裸子植物花粉萌发和花粉管生长中的作用机制目前尚不明确。本研究以裸子植物白皮松(Pinus bungeana)的花粉为材料，运用不同浓度钙通道抑制剂Nifedipine（Nif）处理，对其花粉萌发和花粉管生长进行了细胞学研究和蛋白质组学分析，以探讨Ca2+对白皮松花粉生长的调控机制，为进一步揭示裸子植物花粉萌发和花粉管生长机理提供参考。 本论文首先研究了钙通道抑制剂Nif和Ca2+螯合剂EGTA对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果表明，用Nif处理花粉后，花粉萌发和花粉管生长均受到明显抑制。经Ca2+荧光探针Fluo-3AM标记，对Nif处理后Ca2+在花粉管中的分布模式进行了观察，发现Ca2+在正常生长的花粉管中呈梯度分布，并在其顶端的荧光最强。与对照相比，处理后的花粉管荧光强度明显减弱，且顶端Ca2+梯度消失。通过EGTA漂洗后的花粉粒，在正常培养基上萌发率较高，但其生长速率受到抑制。由此说明了细胞壁钙库对花粉管生长的抑制效应显著高于对花粉萌发的影响，是花粉管生长的限速因子。同时外加钙调素还可逆转EGTA对其花粉萌发和花粉管生长的抑制。上述结果表明，白皮松花粉萌发及花粉管生长需要外源Ca2+的内流，以及胞内形成的Ca2+浓度梯度。 用FM4-64探针标记结果发现，正常花粉管中的胞吞作用主要发生在顶端和亚顶端区域，胞吞的小泡也集中分布在这两个区域。经Nif处理后，既不影响花粉管的胞吞过程，同时胞吞发生的位置也与对照相似，只是胞吞的小泡分散于整个花粉管中。电子显微镜观察表明，各种细胞器在白皮松正常生长的花粉管中分布与被子植物存在较大差异，例如前者无明显地分区现象，不具胼胝质塞。白皮松花粉管顶端和亚顶端的壁旁体与质膜融合现象频繁发生。花粉管经Nif处理后，线粒体出现不同程度的解体和液泡化，内质网液泡化和核糖体脱落，液泡大量聚集在花粉管顶端，壁旁体与膜融合现象减少，以及花粉管壁明显变薄等。此外，通过微丝特异性探针鬼笔环肽标记结果表明，正常生长花粉管的微丝呈长轴向排列， Nif处理后微丝断裂，其断裂程度与处理浓度有关。由此可见，外源Ca2+对花粉管的胞吞无明显抑制或促进作用，但对胞吞小泡重回收可能有影响。当胞内Ca2+梯度消失后，则明显抑制了微丝骨架的聚合，进而使胞吐作用减缓，高尔基体分泌小泡聚集，多种细胞器液泡化，引起花粉管顶端膨大，细胞壁变薄，继而抑制花粉管的正常生长。 运用免疫荧光标记技术显示，正常生长的花粉管壁含有纤维素、胼胝质、果胶质和阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs），其中纤维素和胼胝质在细胞壁上呈均匀分布，而酸性果胶质只存在花粉管两侧壁上，酯化果胶分布于花粉管顶端。经过Nif处理后，胼胝质和酸性果胶质均在花粉管顶端累积，而AGPs和纤维素的分布却无明显变化。另外，傅里叶红外光谱分析结果也同样支持上述结论。通过花粉管壁蛋白的SDS-PAGE分析表明，Nif对细胞壁蛋白的合成也有较大的影响。 在花粉管的钙通道受到抑制后，应用蛋白质组学技术分析其蛋白质的表达图谱，通过双向电泳已分离出约1000个蛋白质斑点，经软件分析发现，除其中50个蛋白斑点外，大部分蛋白质的表达量均未发生变化。上述50个发生变化的蛋白斑点酶切后，再经过ESI－MS/MS鉴定和质谱数据库的搜索，共鉴定出28个蛋白，其中12个为上调蛋白，16个下调蛋白，根据其主要功能分为与代谢、细胞扩展、翻译后修饰以及信号相关的蛋白。经过Nif处理后，花粉管中碳水化合物代谢能力下降，ATP的产生受到抑制，参与细胞壁多糖合成及小泡运输的蛋白，如valosin containing protein（VCP）、reversibly glycolsylated polypeptide(RGP)、UDP-glucose dehydrogenase (UDPGDH)和α-tubulin表达下调。另外，通过上述方法还鉴定出与丝氨酸/苏氨酸激酶保守结构域同源的受体蛋白激酶等。 综上所述，白皮松花粉管钙通道受到抑制后，通过影响花粉管蛋白的表达，抑制微丝微管骨架的组装，致使胞吐速度变慢，花粉管壁酸性果胶质、胼胝质等多糖分布的变化及总多糖含量的减少，最终抑制了花粉管的正常生长。

白皮松（Pinus bungeana）和青杄（Picea wilsonii）花粉脱壁技术建立及细胞学研究

花粉是种子植物受精过程中雄性生殖细胞的载体，在有性生殖过程中起着非常重要的作用。花粉与柱头、花柱、子房等都有相互作用，起识别作用的是细胞壁蛋白，而花粉粒的壁有明显的两层：内壁和外壁。裸子植物花粉与被子植物相比具有萌发时间长、生长缓慢、授粉－受精时间长等特点。花粉的内壁与外壁在花粉萌发和生长过程中的功能仍然缺乏研究，但是迄今为止现有的分子生物学技术在获得裸子植物花粉壁突变体方面并没有发挥作用。本研究以裸子植物白皮松(Pinus bungeana)和青杄（Picea wilsonii）花粉为材料建立裸子植物花粉脱壁的体系，包 括脱外壁花粉和花粉原生质体的制备，即将花粉的两层壁逐层剥离，并在此基础上进行了细胞学研究。 本文首先建立了裸子植物脱外壁花粉的分离技术。实验表明低浓度的酶组合短暂酶解后，辅以机械研磨，可以释放出大量的脱外壁花粉。其中在这两种裸子植物中的处理稍有不同，白皮松的脱外壁花粉在含12％蔗糖，0.5%纤维素酶和0.3%离析酶的溶液，pH 5.8 ，孵育半小时，辅以一定力度机械研磨的方法获得，而青杄脱外壁花粉的条件是0.8%纤维素酶和0.5%离析酶、12％蔗糖的溶液，其它条件类似。 其次我们成功建立了一种快速、有效、可重复的分离白皮松和青杄花粉原生质体的系统，分离频率可高达70%。对白皮松而言，最好的分离条件是2% 纤维素酶、1.5%离析酶、15%蔗糖、pH 5.8，黑暗、24℃条件下轻微振荡、酶解6 小时。3％纤维素酶和2％离析酶组合比较适宜青杄花粉原生质体的分离，同时需要较低浓度的蔗糖溶液（12％）。青杄花粉原生质体要远大于白皮松花粉原生质体，前者直径为80µm，后者为40µm。强烈的FDA 荧光显示很好的活性。在制备的过程中，酶的浓度、酶的配比、酶解时间、渗透压调节剂、起始材料对分离率都有影响。 运用免疫荧光标记技术显示，脱外壁花粉的表面存在纤维素、果胶质、阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs）和凝集素结合位点，其中纤维素在整个表面都有分布，但在萌发孔附近的荧光最强;白皮松脱外壁花粉表面有胼胝质的存在，主要位于靠近气囊的部位，而青杄脱外壁花粉表面未能检测到胼胝质;酸性果胶质在白皮松脱外壁花粉靠近萌发孔处的荧光稍弱于其它部位，而在青杄脱外壁花粉的表面近极端的荧光要强于远极端;白皮松脱外壁花粉表面有酯化果胶的沉积，而青杄脱外壁花粉表面缺失酯化果胶;白皮松和青杄两种植物脱外壁花粉表面均有阿拉伯半乳糖的分布，而白皮松脱外壁花粉的荧光要远强于青杄;白皮松和青杄脱外壁花粉表面有伴刀豆凝集素（Conconavalin agglutinin, Con A ）和大豆凝集素（soybean agglutinin, SBA ）结合位点的分布，而缺失麦胚凝集素（wheat germ agglutinin, WGA）结合位点。另外，傅立叶红外光谱(FTIR) 分析结果也同样支持上述结论。

华山松（Pinus armandi）地理变异的生态生理学研究

华山松(Pinus armandi)是我国西部高海拔温凉山区的主要树种，自然分布大约在北纬23° 30'-36°30'，东经88°50'-113°30'之间，横跨13个省（区）包括两个季风区，六个气候带。由于水平空间区域广阔，分布区中间地带又为川藏高原的高山峡谷区，群体疏散，基因的迁移和交流困难，致使南北群体出现深刻的遗传分化，并在形态上、生理上充分表达出来。研究结果表明: 1)华山松树高生长出现明显的地理渐变模式，在同一适宜的立地条件下，15年生的南方群体的树高会超出北方种源的2-3倍。针叶长度也同样具有明显的南北差异，南方群体较长。 2)地理因子相关分析表明纬度因子是主导因子，根据种源的地理坐标，利用中科院植物所植被数量生态学开放室有关数据库和生态信息系统(EIS)进行有关气候数据统计分析表明大多数环境气候因子主要是由纬度决定的。在环境因子当中，年平均温度和极端最低气温，在华山松地理变异过程中起主要作用。利用聚类分析方法，可把华山松大致分为南北两个地理型，正好与气候因子聚类而成的两个环境类型相对应，反映着两个自然地理区的自然生态因子的综合区别。 3)利用已有的幼林生长数据和我们在华山松进入杆材期(15年生)的树高调查结果，作相关分析，发现二者相关关系显著。因此，利用早期树高作生长预测在林木选育上是可行的。 4)根据六个种源测定结果，发现南方温暖湿润气候条件下华山松种子较大，种壳较薄，而北方种源种子相对较小，种皮要厚一些。 5)虽然种群之间中性盐及碱性溶液提取的种子蛋白含量差异明显，但没有地理变异趋势。分析多肽组成，中性盐溶种子蛋白也没有地理特征。但碱性溶液提取的种子蛋白多肽组成却有明显地域性。其中36KD多肽仅出现在北方种群中，南方种群则没发现有同样多肽。 6)西藏种源表现出了一种独特的生物学特性，其种子较大有南方种源特征，但种皮厚又带有北方种源的特点，除此之外，它的碱性溶液提取的种子蛋白中含有36KD多肽，因此它可能是南北两个类群中的中间类型。 7)用活体针叶作测材料时，没能检测出光谱特性的地理变异。但改用分离的叶绿体作试验材料，发现南方种群的光能吸收4阶导数光谱在680nm处的峰值较大，670nm峰值较小，而北方种群中出现了670nm峰值较大的类群，推测北方种群反应中心活力有下降趋势。另外，低温荧光发射光谱及低温荧光激发光谱也有明显的地域分化，表明体内色素状态有一定的地理变异。 8)时绿素a荧光诱导动力学测定表明，南方种群可变荧光(Fv/Fo)与光能转换效率(Fv/Fm)较高，北方种群则相对要小一些，与四阶导数吸收光谱测定结果吻合．利用饱和脉冲重复激发技术，发现光化学荧光淬灭(Qp)和非光化学荧光淬灭(Qn)在北方种群中较大，南方种群较小，其中，Qn变化非常明显，而Qp变化较小． 综合研究结果，除树高生长．针叶和种子形态外，36KD碱溶性种子蛋白多肽680nm处4阶导数吸收光谱峰值大小，可变荧光强度(Fv/Fo)光能转换效率(Fv/Fm)以及非化学荧光淬灭系数都带有明显的地理特征，与华山松生长和适应能力紧密相关，可作为生理指标应用于生态地理型的区分或华山松的早期选择。

DEVELOPMENT OF MICROSATELLITE LOCI FOR PINUS KORAIENSIS (PINACEAE)

Premise of the study: Microsatellite markers were developed for Pinus koraiensis to characterize its genetic diversity and understand its population structure. Methods and Results: Using the Fast Isolation by AFLP of Sequences COntaining (FIASCO) Repeats protocol, 20 primer sets were developed in Chinese populations of P. koraiensis. Three of the markers showed polymorphism with two alleles per locus when assessed in a sample of two populations of P. koraiensis from the Changbai Mountain in the Jilin Province of China. Five and three loci were successfully amplified in P. taiwanensis and P. massoniana, respectively. The amplification size of these loci matches those in P. koraiensis. Conclusions: These markers may be useful for further investigation of population genetics of P. koraiensis.