摘要
环化腺苷酸(adenosine3’，5''-cyclicmonophosphate，cAMP)是最早发现的“第二信使”信号分子，能够参与细胞代谢、基因转录和信号转导等多种生命活动过程。cAMP由腺苷酸环化酶(adenylylcyclase，AC)直接催化ATP生成，并被磷酸二酯酶(phosphodiesterase，PDE)水解，这两种酶的拮抗作用决定了细胞内cAMP的稳态水平。一般认为，细胞内AC的酶活性受到内外条件的刺激可导致cAMP水平的瞬时升高，引起一系列的信号反应。芝麻(SesamumindicumL.)是我国重要的油料作物，在食品及医疗产业中占据重要地位。芝麻在生长发育过程中容易受到各种生物与非生物胁迫因素的影响，其中干旱和渍害尤为突出。近些年来，cAMP在高等植物中调节各种生理活动及胁迫抗性的信号作用已被日益增多的报道所证实。然而，有关cAMP在芝麻中的信号调节作用尚不清楚。本研究从植株形态、细胞水平以及分子机制等不同方面，探究了cAMP在芝麻生长发育以及耐旱性中的调节作用，获得的结果如下: 1.利用AC的特异性激动剂(forskolin，FSK)和抑制剂(2’，3''-dideoxyadenosine，DDA)以及可渗透细胞膜的cAMP类似物(8-Br-cAMP)对芝麻幼苗进行处理，发现DDA能够显著抑制芝麻幼苗的下胚轴、根长与侧根的发育，并且随浓度升高而抑制程度增强;FSK可显著加快种子萌发，并促进下胚轴、主根及侧根的生长发育:而1mM8-Br-cAMP能够影响子叶的发育，导致上表皮气孔密度增大，海绵组织增厚，栅栏组织细胞皱缩且排列紧密，使叶片向上卷曲。进一步研究表明，8-Br-cAMP能够调控KAN1、HD-ZIPⅢ和AS2基因家族成员的表达水平，参与影响叶片的极性生长。 2.利用甘露醇(150mM)处理模拟干旱胁迫环境，并结合FSK(10μM)预处理进行研究，发现干旱胁迫能够抑制芝麻根细胞的伸长和根原基分化，从而影响根系的生长发育;而FSK可显著降低干旱的抑制作用，缓解干旱胁迫对下胚轴生长的不利影响。干旱胁迫可显著增加芝麻幼苗的丙二醛(MDA)和脯氨酸含量，导致超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)与过氧化氢酶(CAT)水平大幅度提高;而FSK能够显著降低干旱胁迫诱导的MDA和脯氨酸含量增加，并且使CAT的活性进一步升高。此外，研究还发现FSK对芝麻内源AC酶活性与cAMP含量的影响主要表现在干旱胁迫发生的早期，并参与调控芝麻AP2/ERF、WRKY与HD-Zip转录因子家族中与干旱防御相关的基因表达。 3.转录组测序分析表明:芝麻幼苗在正常生长条件下，FSK处理导致287个差异表达基因(DEGs)，其中包括114个上调和173个下调基因;GO富集分析表明，上调基因主要与脱落酸激活的信号转导途径有关，而下调基因主要与氧化胁迫反应、过氧化氢催化过程和细胞壁组织有关。在干旱胁迫条件下，FSK处理导致1839个DEGs，其中包括1068个上调和771个下调基因;GO富集分析表明，上调基因主要涉及损伤和生长素反应以及细胞壁生物发生等过程，而下调基因主要与碳水化合物代谢过程和脂运输等有关。此外，KEGG通路分析表明，FSK处理在王掌和千旱胁迫条件下诱导产生的DEGs均与植物MAPK信号通路和苯丙烷生物合成途径密切相关。 4.在芝麻中挖掘了一批参与cAMP信号调控的干旱胁迫反应基因，其中包括在MAPK信号通路中编码丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的基因(SIN_1013408;SIN_1013406;SIN_1019311;SIN_1013162)，以及编码类延伸蛋白(SIN_1009833;SIN_1009828;SIN_1009829;SIN_1009831;SIN_1009830)和过氧化物酶的基因(SIN_1006851;SIN_1023772)等。这些基因将为今后深入探究cAMP信号在芝麻生长发育及干旱胁迫反应中的作用机制奠定基础。 总之，本研究结果揭示了cAMP信号在调控芝麻生长发育与抗旱响应中的重要功能，为今后在分子水平上深入挖掘植物AC-cAMP信号功能及其应用于植物逆境胁迫防御提供了新的思路与理论基础。
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