油菜素内酯调控铜和铬胁迫下油菜生理生化与分子机制研究

发布时间：2020-06-24 16:32

【摘要】：土壤重金属污染逐渐成为一个严峻的环境问题,特别是在农业生态系统中,会严重影响农作物的产量和品质。单一铜(Cu2+)和铬(Cr6+)对甘蓝型油菜生长的影响已在植物中有较多研究,但Cu和Cr的复合污染对油菜生长的胁迫作用尚不清楚。同时,油菜素内酯(BR)是一种甾醇类激素,最早即发现于芸薹属植物中,其广泛参与到植物生长发育和逆境响应的各个过程。本论文主要探讨Cu和Cr单一或复合胁迫下两个甘蓝型油菜品种('Zheda622'和'ZS 758')生理生态的变化以及BR处理对重金属胁迫的缓解作用,并利用RNA-Seq技术在转录水平上探究BR诱导的重金属逆境响应机制。取得的主要研究结果如下:1.研究明确了 Cu和Cr对子叶期油菜生理生化、超微结构和相关基因表达的影响。单一 Cr处理比单一 Cu处理对子叶期油菜毒害作用更大,二者的复合胁迫对植物生长的抑制作用更加明显。重金属处理均显著降低了油菜子叶和根部的生物量和光合色素含量。单一 Cu、Cr及其复合处理导致子叶期油菜幼苗体内活性氧(ROS)和脂质过氧化丙二醛(MDA)的积累。与各自品种的对照组相比,除了品种'Zheda 622'子叶和根系中的过氧化氢酶(CAT)的活性有所下降以外,两个品种其子叶和根系中的抗氧化酶活性以及与酶相关的基因mRNA转录水平均显著提高,包括过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD),尤其是在单一 Cr和复合处理时表现更为显著。此外,非酶抗氧化剂还原型谷胱甘肽(GSH)的含量在两个品种的根和叶中表现出不同的变化趋势。两个品种子叶中叶绿体超微结构均发生了显著的改变,尤其在Cu+Cr复合处理下更为明显,其次是Cr和Cu单一处理。结果显示,Cu和Cr处理表现出一种协同效应,复合处理提高了植株对重金属的吸收,这表明Cu和Cr的相互作用不是竞争性的,而是具有协同作用且在品种之间存在差异。2.探明了 Cu和Cr对油菜幼苗的光合抑制、重金属亚细胞分布及相关基因表达的协同作用。Cu和Cr处理显著抑制了油菜植株的生长,包括生物量和株高的下降,叶片光合色素含量和光合作用参数[光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(E)、光系统Ⅱ的最大量子产量(Fv/Fm)]在重金属处理下也显著降低。亚细胞分布结果表明,Cu和Cr主要分布在根和叶的细胞壁和可溶性组分中。同时,细胞组分中Cu和Cr在复合金属胁迫下表现出协同积累的规律。单一 Cu、Cr或复合处理下,两个品种植株中过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O2·-)的水平显著升高,抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX的活性也均有显著变化。与对照组相比,编码抗氧化酶相关的基因如BnCat、BnApx、BnPrx、BnSod的表达水平在重金属处理下也普遍上调。叶肉细胞和根尖细胞的超微结构观察(TEM)显示叶片和根尖细胞和细胞器的超微结构也发生显著变化。此外,结果还表明,品种'ZS758'对Cu或Cr的抗性比'Zheda622'更强,这是由于'ZS758'在重金属胁迫下具有更强的适应性,并且细胞结构表现相对完整。3.明确了 BR对Cu和Cr胁迫下油菜幼苗生长及生理生化的影响。通过不同浓度的BR处理,发现外源BR可促进油菜植株的生长,生物量和净光合速率显著增加,并且以0.05 μM BR处理的促进效果最为明显。单一 Cu、Cr和Cu+Cr复合处理下,均显著抑制油菜植株的生长,表现出生物量下降、ROS(H2O2和O2·-)和MDA积累增加。而重金属胁迫下外源添加BR可有效缓解Cu和Cr对油菜植株造成的危害,与重金属处理组相比,植株鲜重和干重显著增加,ROS和MDA积累量明显降低,抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX)活性显著增加。可见,外源添加BR可有效增强植株对重金属的耐性,缓解重金属胁迫对油菜幼苗造成的伤害。4.研究了重金属单独处理以及BR处理后两个油菜品种幼苗叶片转录组分析。BR处理组与Cr、Cu、Cu+Cr处理组比较,'Zheda622'和'ZS758'叶片中分别有1175、799、2437和2481、1208、1793个基因表达上调,1040、2479、1961 和3596、1437、1246个基因表达下调,主要富集在植物MAPK信号通路、植物激素信号转导、苯丙烷生物合成、植物-病原互作、谷胱甘肽代谢、类黄酮生物合成、色氨酸代谢等通路上。对这些基因进行分析,发现在品种'Zheda622'中,三个比较组同时筛选出274个DEGs,在品种'ZS 758'中,三个比较组中同时筛选出250个DEGs,表明在BR处理下,这些基因在所有比较组中均有差异表达。分析这些基因功能发现,'Zheda622'和'ZS 758'分别有92和24个基因同时在三个比较组中表达上调,主要涉及氨基酸和脂类代谢、转录调控和胁迫相关蛋白等基因。特别是一些编码防御素蛋白、富含脯氨酸蛋白、谷氧还蛋白、脂氧合酶、渗调蛋白和转录因子的基因表达显著上调。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S565.4
【图文】：

清除模式,活性氧,物体,抗氧化酶

图１．３楦物体内活性氧（ＲＯＩ）清除模式（Ｍｉｔｔｌｅｒ，２００２）．逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｐａｔｈｗａｙｓ邋ｆｏｒ邋ｒｅａｃｔｉｖｅ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ邋（ＲＯＩ）邋ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ邋ｉｎ邋ｐｌａｎｔｓ邋（Ｍｉｔｔｌｅｒ，邋２００２）．逡逑（Ｍｉｔｔｌｅｒ，邋２００２）。ＰＯＤ也是广泛地分布在楦物组织中的一种抗氧化酶，能够清逡逑除Ｈ２０２并因此限制Ｘ）Ｈ的形成。逡逑关于抗氧化酶系统对于植物提高对重金属胁迫耐性的报道已有很多。例如逡逑Ｃｈｏ和Ｓｅｏ邋（２００５）研究拟南芥在Ｃｄ胁迫下发现，耐Ｃｄ突变体植株内的ＳＯＤ、逡逑ＡＰＸ、ＧＰＸ、ＧＲ几种抗氧化酶的活性均显著高于野生型植株（Ｃｄ敏感）。覃勇逡逑荣等（２０１７）发现，任丑幼苗（Ｚｅ？ｉａ逦在低浓度的Ｃｄ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｚｎ处逡逑理下，抗氧化酶ＳＯＤ、ＰＯＤ、ＣＡＴ均不同程度地升高，而在高浓度处理下，抗逡逑氧化酶表现出下降的趋势。说明在重金属胁迫下，楦株抗氧化系统被激活，以此逡逑来减轻重金属造成的氧化胁迫，而如果胁迫程度过高，超出植株对胁迫的耐受程逡逑度，抗氧化酶的活性则会受到抑制。Ｃｕ处理下，油菜植株的叶片和根系中的ＡＰＸ逡逑和ＰＯＤ的活性显著增加（Ｚａｈｅｅｒ等，２０１５）邋；邋Ｐｂ、Ｃｄ复合胁迫下，湿地匍灯藓逡逑

积累量,甘蓝型油菜品种,化学染色,子叶

２铜和铬对子叶期油菜生理生化与超撖结构等的影响逡逑２．２．４邋Ｃｕ和Ｃｒ处理对谷胱甘肽代谢的影响逡逑Ｃｕ和Ｃｒ对植株子叶和根中谷胱甘肽代谢的影响如图２．２所示。一般情况下，逡逑ＺＳ邋７５８在根中保持较高的ＧＲ酶活性，而在子叶中，ＧＲ的活性与品种和处理有逡逑关。在这些处理中，品种ＺＳ邋７５８根系中ＧＲ活性的升高幅度最大。在单一邋Ｃｕ处逡逑Ｚｈｅｄａ邋６２２逦ＺＳ邋７５８逡逑翻＿逡逑灥逡逑图２．１两个甘蓝型油菜品种（Ｚｈｅｄａ邋６２２和ＺＳ邋７５８）根尖组织化学染色．ａ和ｂ：邋ＤＡＢ染色，逡逑显示的是Ｈ２０２的积累量；ｃ和ｄ：邋ＮＢＴ染色，显示的是0ｒ的积累量．逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ＲＯＳ邋（0２＊邋ａｎｄ邋Ｈ２０２）邋ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｒｏｏｔｓ邋ｏｆ邋Ｂｒａｓｓｉｃａ邋ｎａｐｕｓ邋ｃｕｌｔｉｖａｒｓ逡逑（Ｚｈｅｄａ邋６２２邋ａｎｄ邋ＺＳ邋７５８）邋ｕｎｄｅｒ邋ｃｏｐｐｅｒ邋（Ｃｕ）邋ａｎｄ邋ｃｈｒｏｍｉｕｍ邋（Ｃｒ）邋ａｌｏｎｅ邋ａｎｄ邋ｃｏｍｂｉｎｅｄ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．逡逑Ｐｌａｎｔ邋ｒｏｏｔｓ邋ｗｅｒｅ邋ｓｔａｉｎｅｄ邋ｗｉｔｈ邋ＮＢＴ邋（１邋ｇ邋Ｌ＇１）邋ａｎｄ邋ＤＡＢ邋（１邋ｇ邋Ｌ＇１）邋ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ邋ａｆｔｅｒ邋ｂｅｉｎｇ邋ｒｅｍｏｖｅｄ逡逑ｆｒｏｍ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．邋Ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｗａｓ邋ｒｅｐｅａｔｅｄ邋ｆｏｕｒ邋ｔｉｍｅｓ．邋Ｆｉｇｕｒｅｓ邋（ａ）邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ邋Ｈ２０２逡逑ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｓｔａｉｎｅｄ邋ｗｉｔｈ邋ＤＡＢ

【参考文献】