钼对冬小麦抗旱能力及其抗旱信号转导的调控

发布时间：2020-07-29 10:32

【摘要】：钼是植物必需的微量元素之一,它可通过含钼酶调控植物碳、氮、硫和激素等代谢过程,对植物的生长具有重要作用。高等植物中含钼酶醛氧化酶(AO)和硝酸还原酶(NR)参与信号分子脱落酸(ABA)和一氧化氮(NO)合成,对调节植物的干旱胁迫耐性具有重要作用。因此,本研究在明确钼对冬小麦抗旱性影响的基础上,以含钼酶AO和NR调控的信号转导过程为主线,解析了钼提高冬小麦耐旱性的生理和分子机理。主要获得以下结果:1)研究发现施钼可提高冬小麦抗旱性,且钼低效品种对钼的响应更敏感。研究表明,施钼增强两个冬小麦品种光合作用,提高了生物量和产量,干旱胁迫下增产效应更明显;施钼降低冬小麦气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr),导致叶片失水率降低,增加叶片相对含水量,从而提高冬小麦的水分利用率;干旱胁迫下施钼提高了冬小麦抗氧化酶活性以及非酶抗氧化剂含量,增强了抗氧化防御的能力,使活性氧的清除能力增强,缓解了膜脂的过氧化,导致脂质过氧化产物的降低;干旱胁迫下施钼增加冬小麦叶片渗透调节物质的含量,有利于维持细胞的膨压。2)转录组(RNA-Seq)分析发现干旱胁迫下钼主要影响冬小麦根系生长、脂质代谢、细胞壁重塑、黄酮代谢及氧化还原等过程的基因表达。采用RNA-Seq技术,研究钼对冬小麦干旱响应基因表达的影响,结果表明:干旱胁迫6 h后,缺钼与施钼处理差异基因509个(│Log2FC│≥1.5,P-value0.05),其中282个差异基因下调表达,227个差异基因上调表达,差异基因的基因表达验证结果与RNA-Seq结果基本一致;KEGG富集分析表明,差异基因功能主要富集在脂类代谢、黄酮类代谢、氮代谢、碳代谢、植物激素介导的信号转导和光合作用等过程;重点分析了钼对冬小麦根系生长、脂质代谢、氧化还原、细胞壁重塑及黄酮类物质代谢等过程的调控及其在钼提高冬小麦抗旱性中的作用。3)明确了干旱胁迫下含钼酶NR和AO在增强冬小麦抗氧化胁迫中的作用。互补试验结果表明:施钼增加AO和NR的活性,促进了ABA和NO的合成,而两者的抑制剂分别降低了AO和NR的活性,同时也抑制了ABA和NO的合成,说明钼通过钼酶AO和NR分别调控ABA和NO的合成。钼增加抗氧化酶活性及其基因的表达,增强了活性氧的清除能力,而钼的这种效应被AO抑制剂、ABA合成抑制剂、NR抑制剂和NO清除剂逆转,而外源ABA和NO供体又能够恢复钼清除活性氧的能力,表明钼通过激活AO和NR的活性,促进ABA和NO的合成,从而增强了冬小麦抗氧化耐性。进一步的研究表明,钼和ABA诱导的抗氧化耐性被NO清除剂逆转,但又能够被NO供体恢复,表明钼增强冬小麦抗氧化耐性受ABA和NO信号调控,且ABA和NO信号存在一定程度的互作。4)钼通过ABA信号途径影响抗旱基因的表达。在依赖ABA型信号途径中,钼主要通过影响转录因子基因Wabi5的表达,调控下游抗旱基因如Wrab17的表达,增强冬小麦的干旱耐性;在非依赖ABA型信号途径中,钼可能主要影响转录因子基因Ta AIDFa的表达,调控下游抗旱基因如Ta Sn RK2.3和Ta Sn RK2.7的表达,进而增强冬小麦对干旱的适应性。钼通过调控抗旱基因的表达来增强冬小麦的干旱耐性可能存在品种的差异:品种97003可能通过依赖ABA型和非依赖ABA型信号途径,而品种97014主要通过依赖ABA型信号途径。5)干旱胁迫下钼通过NO信号途径调控根系生长,进而影响水分吸收和矿质养分平衡。施钼和NO供体增加冬小麦侧根长、根尖数等形态参数,而NO清除剂降低了侧根长、根尖数等形态参数,说明钼促进冬小麦根系生长受NO信号的调控;冬小麦根尖数和侧根长与根系水分吸收速率显著正相关,同时施钼增加了根系水通道蛋白(AQPs)基因的表达,尤其是液泡膜内在蛋白基因(TaPIPs)的表达量,说明钼增加冬小麦根系水分吸收可能与发达的根系和AQPs的表达有关;进一步的研究发现,施钼降低了冬小麦叶片的蒸腾作用,增加了根系渗透物质钾、钙、镁的含量及其它矿质营养的含量,增加根系渗透压力,这一方面说明根压可能是钼促进根系水分吸收的动力,而非蒸腾拉力,另一方面说明钼可能通过增加矿质养分的吸收,进而调控其平衡。6)施钼增加膜脂的含量及不饱和脂肪酸含量,影响膜的稳定性和流动性,进而增强冬小麦对干旱胁迫的适应能力。施钼通过调控冬小麦叶片和根系脂酶基因(Ta MGDs、Ta DGDs和Ta AAPTs)的表达促进了脂质合成,增加了双半乳糖甘油二酯(DGDG)、单半乳糖甘油二酯(MGDG)、磷脂酰胆碱(PC)和磷脂酰乙醇胺(PE)等膜脂组分含量,且根系中增加幅度更大;干旱胁迫下施钼影响DGDG/MGDG和PC/PE的比值,进而调控细胞膜的稳定性;干旱胁迫下施钼增加冬小麦叶片脂肪酸去饱和酶基因表达,调控膜脂不饱和程度,有助于细胞膜流动性的增强。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.11
【图文】：

华中农业大学 2018 届博士研究生学位论文 2007, Brychkova et al 2013）。转录组分析表明拟南芥 SO 敲硫代谢相关酶基因表达上有明显的差异，在抗胁迫基因和抗大差异（Hamisch et al 2012）。最新证据显示，氧气作为亚物 SO 的催化下可以产生 H2O2（H nsch et al 2006）。

图 1.2 植物中 ABA 的生物合成（Sah et al 2016）Fig. 1.2 The regulation of ABA biosynthesis in plants（2）NO 的产生NO 是普遍存在的活性分子，具有广泛的生理功能。在植物细胞中产生 NO 的途径主要有两个，即分别通过一氧化氮合酶（NOS）氧化精氨酸和 NR 还原硝态氮产生 NO（Planchet et al 2014, Sanz et al 2015）。其中 NR 催化途径被认为是植物 NO产生的主要途径，作用机理如图 1.3。最近的研究发现，NO 还有其他的产生途径：钼酶 NR 和 mARC 可以形成 NR-mARC 系统诱导衣藻以硝态氮为底物产生 NO（Chamizo-Ampudia et al 2016）。铜胺氧化酶（CuAO）可以通过调控精氨酸酶的活性，进而影响精氨酸的生物有效性，最终促进 NO 的产生（Wimalasekera et al 2011Gro et al 2017）。另外也有报道，其他三种钼酶 AO、SO 和 XDH 也可以以硝态氮为底物促进 NO 的产生，但是这些报道大多是在体外试验或厌氧条件下进行的，在植物中尚未见报道（Chamizo-Ampudia et al 2017）。施钼增加了冬小麦和小麦草的

NR参与NO的平衡（Chamizo-Ampudiaetal2017）

本文编号：2773843