摘要
在自然生理条件下，植物处于各种生物和非生物胁迫环境中，如强光、紫外线、干旱、寒冷、高温、根部缺氧、病虫害等，可触发活性氧（Reactive oxygen species, ROS）的快速产生和清除变化。虽然ROS的积累通常对细胞有害，ROS的大量积累会引发氧化还原稳态紊乱，导致细胞死亡，从而限制生物量和产量。然而，在调节信号通路的植物适应和防御反应方面， ROS 却扮演了重要角色。过氧化氢（Hydrogen peroxide, H2O2）是活性氧主要成分，被认为是一种重要的信号分子。作为特异性清除 H2O2的抗氧化酶，过氧化氢酶（Catalase, CAT）在植物生长发育及应对环境胁迫响应过程中发挥着关键性的作用。本研究通过 CRISPER/CAS9 技术对cat2/3双突变体中的 CAT1进行突变并生成了过氧化氢酶三突变体 cat1/2/3，对过氧化氢酶基因家族进行一个解析。主要研究结果如下： （1）与野生型 Col-0及 cat1/2、cat2/3双突变体相比，cat1/2/3三突变体在生理状态下出现明显的氧化还原障碍和植物叶片损伤，并且在 cat1/2/3 突变体内伴随着较 cat1/2、cat2/3 突变体中更多的水杨酸（Salicylic acid, SA）的积累。表明由于拟南芥植物体内大量 H2O2积累，其体内氧化还原稳态遭到了破坏，导致 SA的积累和植物叶片细胞死亡，其中拟南芥的三个过氧化氢酶都参与了该过程，且 CAT1 和CAT3起到了冗余性调控作用。 （2）通过高浓度二氧化碳（High CO2）抑制拟南芥（Arabidopsis thaliana）的光呼吸途径，发现在 3000 ppm浓度的 High CO2条件下生长时，由 H2O2积累引起的cat1/2/3显著叶片细胞死亡表型得到恢复，并且其体内氧化还原状态也恢复到与野生型 Col-0同样的水平。表明由 H2O2积累引起的 SA上升和植物叶片细胞死亡依赖于条件光呼吸途径。 （3）对过氧化氢酶互作蛋白的鉴定，本研究鉴定到了 CAT1和 CAT3冗余性调控 SA 依赖性细胞死亡的互作蛋白 GSNOR （ S-亚硝基谷胱甘肽还原酶），发现GSNOR基因突变，可以消除 cat1/2/3突变体的叶片细胞死亡，而不影响其过氧化氢酶活性，并且在 cat1/2/3 突变体中，可检测到较 cat1/2、cat2/3 突变体更高的GSNOR酶活性。表明 CAT1和CAT3与GSNOR在物理和遗传上发生相互作用，推测CATs可能调节GSNOR酶活以及叶片细胞死亡。
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