豆科植物铁蛋白和铁管理开发和有节
下午Strozycki, a . Skapska k . Kolaczkowska-Szczesniak e . Sobieszczuk学士Legocki
Bioorganie化学研究所的波兰科学院Noskowskiego 12/14, Pozna 61 - 704年,波兰
铁是所有真核细胞最重要的营养素之一。然而,它也是最危险的因素之一。由于其氧化还原性质,铁是一个关键要素等基本过程DNA和激素合成、呼吸作用和光合作用(Briat et al . 1995年)。尽管铁是第四地壳中最丰富的元素,它并不容易。这是因为低溶解度的含铁的矿物质,尤其是在有氧和pH值中性环境(Guerinot,彝族1994)。为了应对这个问题,工厂已经开发出几种机制的铁收购。除了形态变化导致活跃的根区域的扩展,这些机制包括质子泵(酸化),分泌的有机酸和酚类物质(螯合)和诱导的膜结合还原酶(双子叶植物和单子叶)nongraminaceous。此外,高亲和性螯合剂用于溶解铁(EH)氧化物(福克斯Guerinot 1998;Hinsinger 1998;琼斯1998年; Marschner, Romheld 1996; Schmidt 1999; Thoiron et al. 1997). However, in the presence of active oxygen species the same desirable iron may catalyze the generation of hydroxyl radicals (OH*) - the most powerful oxidizing agents known thus far (芬顿反应)(cadena 1989;的黎波里et al . 1995;Nappi瓦什,2000)。有毒的氧物种的攻击通常会导致严重的结果如脂质过氧化作用,蛋白质和DNA氧化,最终细胞解体。植物抗氧化剂防御包括这些化合物如谷胱甘肽、抗坏血酸盐、类胡萝卜素、维生素e等抗氧化酶和过氧化氢酶,氧化酵素,岐化酶和酶ascorbate-glutathione周期也激活(Becana et al . 1998;拉森1995)。很明显,必须有一个严格控制的“免费”铁细胞,只是为了防止代的活性氧(ROS)放在第一位。代的ROS有限,然而,可能是植物对病原的防御系统的一部分(Wojtaszek 1997)。主要部分的细胞铁是绑定在蛋白质和酶的辅因子,但它可能很容易地“释放”压力的情况。
铁蛋白、铁储存蛋白质,是主要的和最有效的元素铁稳态控制所必需的。铁蛋白分子是一个中空的蛋白质外壳,24多肽组成的子单元,能够存储4500铁原子在含水氧化铁形式(哈里森,Arosio 1996;Trikha et al . 1994年)。因此铁biomineralized内铁蛋白是安全的电池组件。它可能在需要的时候释放的功能(摩尔et al . 1992年)。铁蛋白广泛存在在生物体所有王国,动物、植物和微生物,显示高结构保护(赛尔1987)。氨基酸身份所需的残留较低,除了适当的多肽的结构(安德鲁斯et al . 1992年)。植物铁蛋白多肽由两个额外的(相对于动物铁蛋白)片段。1、所谓的转运肽(TP);47 - 91氨基酸)的质体目标需要铁蛋白前体,另一方面,扩展肽(EP; 28-32 amino acids) is probably responsible for the stability of matured protein (Briat et al. 1999; Ragland et al. 1990).
作为几乎豆科固氮作用依靠铁(的两个关键元素氮减少,植物血红蛋白和细菌固氮酶iron-proteins),严格控制这种金属在根瘤发展尤为重要。此外,豆血红蛋白占总可溶性蛋白质的30%的结节,并被认为是一种危险的自由基(男人et al . 1996年)。
在我们研究铁管理在植物组织内,我们使用黄色卢平(Lupinus危害)作为一个模型。基于植物血红蛋白序列分析我们认为,羽扇豆属于豆科植物(最古老的物种之一卡斯,眨眼1995;Strozycki et al . 2000;Strozycki Legocki 1995)。卢平植物感染Bradyrhizobium lupini形成结节的特征类型。一般形态而言,lupinoid结节类似于未测定的类型——持久的分生组织和清晰地划分发育区。然而,由于早期结节分生组织分工和经济增长方向,它逃离圆柱形状。在进一步发展,分生组织的活动仍然只在结节边缘,因此两个横向分生组织的活动,最初球形结节外侧环绕生长根(Golinowski et al . 1987年)。由于形状,这种类型的结节被称为“领式”。此外,启动的第一个细胞分裂形成结节卢平在第一层的主要根皮层,类似于决定性结节型,即大豆或大豆、而不是在最深层次的主要根皮层,这是典型的所有其他undeterminate-nodule类型植物,如豌豆,三叶草和苜蓿(Golinowski et al . 1992年)。
在卢平根瘤发展、低铁蛋白多肽的“生理”水平可能被检测出来。有一个重要的临时增加铁蛋白积累在固氮作用开始的时候。增加相关的时间和巨大的豆血红蛋白的合成与b . lupini(接种后12 - 14天)。事实上,强烈的铁蛋白多肽积累始于第一症状的结节组织腐烂和增加根瘤衰老。这张照片发展的监管也证实了RNA原位杂交实验和免疫检测。除了显然更强的杂交信号物质14-day-old结节,就有一个不同的层细胞分生和成熟结节之间的区域,以铁蛋白含量更高。这可能是相当于造粉体包含地区间的固氮之前(或区域)的紫花苜蓿。在卢平也明显开始衰老结节,铁蛋白的主要增加信号转移到皮质和年轻的地带,接近分生组织。它可以解释为保护仍然对催化活性和功能组织铁释放传播“破坏”。此外,有一种强烈的铁蛋白积累增加根维管束周围组织,甚至完全瓦解结节后,邻近的根组织似乎依然完好无损。 It is likely that the main task of the antioxidant defenses of bacteroid tissues during nodule functioning and senescence repose on other systems (Becana et al. 2000). However, as it was reported before, a majority of the diverse antioxidant systems functioning in an active nodule decline with the衰老的过程(Becana et al . 2000年)。
观察上述通常是在协议与其他作者(卢卡斯et al . 1998年)描述超结构immuno-localization铁蛋白细胞的大豆、羽扇豆和紫花苜蓿结节。异常发现分生组织的活动并没有观察到黄色卢平结节发展的所有阶段。根据我们的观察,分生组织中存在l .危害甚至在96天的结节(有明确的有丝分裂的统计数字)。
报告后,铁蛋白积累的皮层和薄壁组织细胞结节的硝酸和暗强调豌豆和豆类植物,我们检查了这种蛋白质的定量贡献的一般反应在这种诱导衰老(Escuredo et al . 1996;Gogorcena et al . 1997年)。令人惊讶的是,没有检测到铁蛋白积累水平的变化在茎,根或结节硝酸或黑暗处理植物。此外,在对比分析执行bean结节(马塔莫罗斯et al . 1999年),一个轻微的下降是注意到在植物的叶子蒙在鼓里4 - 7天。
卢平铁蛋白的完整,我们分析了铁蛋白含量以外的小结部分轻植物。在卢平,我们可以检测铁蛋白多肽在所有测试的器官。唯一的例外是子叶在植物发芽和年轻,形成种子。前者是由于事实上子叶,而铁的来源(越来越多的植物)和铁蛋白降解释放它。后者是由于铁蛋白在种子发展的后期合成。最高水平的铁蛋白被发现在鲜花和树叶。花含有一系列的铁含蛋白质(颜料),因此,铁蛋白的存在,没有惊喜。卢平的叶子有点不同于报告豌豆、铁蛋白被发现只有在年轻植株的根和叶,察觉在相应器官的成年植物(Lobreaux Briat 1991)。在黄色的卢平,铁蛋白的水平低得多但意义重大年轻的叶子,它与植物年龄的增加。此外,在所有的情况下测试,铁蛋白多肽含量上升期间组织衰老。
然而,铁蛋白可能被认为是一个氧化剂稳定系统的一部分,它减缓了衰老过程释放铁的封存。
的基础上收集到的信息可能会认为动物和植物铁蛋白也由小基因家族编码。这些基因结构显著不同家庭之间的数量(3和7),内含子的位置(蒲鲁东et al . 1996年)。
在动物系统中,铁蛋白合成调控的转化水平。铁调节蛋白构象的改变(IRP)引起的铁分子绑定,导致删除这些蛋白质(铁感应)RNA结构(铁反应元素;愤怒)。释放的5 '端非翻译区mRNA的疏导翻译(赛尔1994)。调节植物铁蛋白合成的了解要少得多。一般来说,人们相信这是主要在转录水平调节(Briat et al . 1999年)。最近,一些启动子序列元素提出了重要的调节铁相关的大豆和玉米铁蛋白基因表达(小et al . 2001;魏、赛尔2000)。
我们已经识别出三类铁蛋白基因在黄色卢平组织(互补dna和基因)。这些基因编码多肽的84 - 89%的身份相对应的部分成熟蛋白和转运肽的身份只有31 - 43%。它们揭示典型植物铁蛋白基因的组织。我们正在分析这些基因的启动子序列同源搜索元素这些报道。
铁蛋白基因的表达模式的分析在不同器官RNA水平一般铁蛋白多肽检测之前已确认结果。所不同的是,我们在所有分析组织铁蛋白检测记录,甚至在年轻的种子在发芽植物子叶和。这一事实表明铁蛋白合成在这些器官的转录后的调控。使用类具体调查我们也可以分析每个类的卢平铁蛋白的表达模式分别在不同的器官。一般来说,一个类RNA几乎检测不到,其他两个显示类似的模式在地上器官和微分表达式结节。
我们也使用水产种植植物和组织培养细胞来测试诱导性的卢平铁蛋白基因。这些实验表明,每个铁蛋白类基因的转录是由铁和脱落酸不同的诱导。这些最后的结果表明可能的不同贡献的每个类铁蛋白氧化应激和ABA介导的防御。此外,ABA是一种激素参与一系列应激反应的植物,例如水的压力和病原体攻击(Giraudat et al . 1994年)。除了科学(认知)目标,研究铁蛋白也实用目的。
已经提出,扣缴铁是植物防御病原体入侵的机制之一。化合物如酚醛树脂,合成了植物组织,可以通过限制限制病原体增长至关重要的铁。也知道一些致病菌产生毒素诱导铁收购,从而促进增长的入侵者。实验在转基因烟草,其他人证明植物ecotopically表达苜蓿铁蛋白本身就对氧化损伤和病原体(迪克et al . 1999年)。然而,在我们的实验中,我们不能发现任何感染后的铁蛋白水平增加卢平植物病原体。我们分析了蛋白质与卢平叶组织,从周围坏死斑点和假单胞菌感染后syringiae,从卢平冠瘿病诱导根颈根癌土壤杆菌和从卢平茎被欧文氏菌感染chrysantemi。这可能意味着铁蛋白合成,以应对病原体攻击,至少在病例和/或攻击阶段我们检查了,不是一个天然植物防御系统的一部分。
缺铁是最常见的营养障碍,影响超过30%的世界人口(世卫组织、联合国儿童基金会、ASPP,美元),铁强化转基因植物可以帮助解决这个问题。已经证明,植物铁蛋白可以作为铁的来源动物,治疗缺铁性贫血(胡子el al。1996)。进一步的工作集中在提高铁含量由overexpressing铁蛋白基因在植物组织。水稻种子的铁强化大豆铁蛋白的过度表达已经证明(Goto et al . 1999年)。
增加铁的存储容量增加铁隔离会导致某些铁稳态的变化在这样的转基因植物。它已经表明,除了活化的铁运输系统(根铁还原酶),植物铁蛋白积累在最高水平显示“铁不足”,萎黄病的表型(Van et al . 1999年)。这个结果只是显然矛盾以前的观测之间的线性关系铁蛋白水平的积累和增加铁含量(Goto et al . 1901年)。后来实验与转基因烟草植物overexpressing铁铁蛋白显示高soil-dependent可变性的叶积累(Vansuyt et al . 2000年)。
最近,获得的转基因植物,铁蛋白基因过表达(生菜)和显示不仅积累过量铁的能力,也能够提高自己的增长也被报道(Goto et al . 2000年)。
我们的工作过程中我们也产生转基因烟草(生菜)植物S35-promoter驱动卢平铁蛋白基因。我们现在有一个一系列的植物铁蛋白积累的集合。有植物几乎检测不到(immuno-detection)数量的卢平铁蛋白亚基以及这样的杂交信号很强。虽然我们可以观察到一个明显倾向iron-starvation-like表型,这是严格与卢平发现铁蛋白水平上升,我们可以很容易地控制症状。在铁可用性的组织培养成为有限的随着时间的推移,我们可以观察到不同强度的缺,但一般的铁积累水平叶组织是相似的。另一方面,在人工土壤,养分比例可能监督,这些症状可能被补充铁和磷夷平。然而,即使在这些条件的最严重影响高铁蛋白积累,在鲜花和水果,是很难克服的。此外,一些植物铁蛋白积累最高的行显示强烈的生理畸变。在铁的充分条件,这些植物的叶子,狭窄和形状不规则,比其他植物的叶子更深的绿色。还花形态不同,即他们有短雄蕊和长风格。
到目前为止收集的信息证明有一个自然金属储存和采集系统之间的相关性,并且为了工程师一个功能齐全的植物生物技术的应用程序,这些系统不能单独评估。
黄色卢平铁蛋白的详细数据方面工作目前正在准备出版。
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