‘黄金芽’茶树不同色泽新梢多组学比较及生理特性研究

发布时间：2020-11-14 08:46

　　 黄金芽是一种光敏型黄化茶树品种,新梢色泽受光调控,自然弱光下芽叶呈绿色,光强在200～270μmol photons·m~(-2)·s~(-1)时开始黄化,且随光强增加,黄化程度逐渐加深,并出现叶片灼伤等生理胁迫现象。黄金芽新梢色泽随自然光强变化的特性为光调控叶绿素代谢和光合作用的研究提供了良好的实验材料,有利于探明光调控叶绿素代谢以及光合作用的具体路径和方式,阐明其光响应机制。为了消除过强光照带来的逆境生理及代谢干扰,本研究前期采用遮荫方法设置3种不同的自然光强处理黄金芽,获得不同色泽新梢材料,通过测定其光合生理指标(光合作用、叶绿素荧光参数等)、逆境生理指标(抗氧化酶活性、活性氧含量等)以及叶绿体膜系统结构等,合理确定了适宜探究黄金芽黄化机理的黄化材料和对照材料;随后,对上述2个材料进行了代谢组和蛋白组学比较研究,同时分析了叶绿素、类胡萝卜素代谢途径关键酶和光合电子传递链组成蛋白以及暗反应过程关键酶基因的表达量,从多个维度探究了黄金芽新梢色泽对光响应的分子机制;同时,从黄金芽新梢中首次筛选并克隆了一个正响应光强变化且高表达的CsHIPP26.1蛋白基因,并对其功能进行了探究,其主要研究结果如下:(1)对黄金芽进行自然光下不同遮荫程度处理依次获得嫩绿(180μmol photons·m~(-2)·s~(-1),编号Y+S)、黄(720μmol photons·m~(-2)·s~(-1),编号Y)和明黄(1620μmol photons·m~(-2)·s~(-1),编号Hs)3种色泽叶片,经生理特性分析发现,黄色叶片(Y)的O_2~-、H_2O_2含量、Fv/Fm值以及叶绿体膜系统结构与嫩绿叶片(Y+S)相近,两者之间无显著差异,均处于无逆境胁迫的生理状态,但两者在光合生理特性上差异显著;Y与明黄叶片(Hs)在ΦPSⅡ、qP、光合响应曲线特征、光饱和点、光补偿点等指标上差异不显著,具有相似的黄化叶片光合生理特性,但Hs处于逆境生理状态。由此可见:Y既具有Hs的黄化生理特征,同时又处于与Y+S相似的无逆境胁迫生理状态,能够很好地体现黄金芽品种的黄化遗传生理特性,而Y+S作为叶色正常的对照材料,可与Y一起作为黄金芽茶树光响应分子机制研究的适宜材料。(2)黄化叶片中叶绿素含量低是由于叶绿素合成受阻和中间产物降解增强所致。黄化叶片叶绿素合成有两个主要受阻点,第一个受阻点位于粪卟啉III(COPP III)到原卟啉IX(PP IX),其合成部位由叶绿体基质向类囊体膜过渡。推测类囊体膜结构的异常是导致此阶段合成受阻的主要原因;第二个受阻点位于原叶绿素酸酯(Pchlide)到叶绿素酸酯b(chlorophyllide b),原叶绿素酸酯氧化还原酶(POR)和叶绿素酸脂a氧化酶(CAO)蛋白及基因表达量的显著下调是导致其合成受阻的原因。此外,黄化叶片中原叶绿素酸酯a降解相关的脱镁叶绿酸加氧酶(ACD1)酶基因和蛋白显著表达增加,进一步导致叶绿素a和b合成量减少。黄化叶片的叶黄素循环显著增强,类黄酮合成途径中间代谢物含量显著增加。黄金芽强光下叶片呈现黄色是由于叶绿素含量显著降低造成叶片失绿后类胡萝卜素和类黄酮等物质颜色的呈现。(3)电子传递效率下降增强了黄化叶片对光的敏感性。黄化叶片捕光色素天线蛋白、PSII光反应中心的D1(PsbA)、D2(PsbD)和Cytb559(PsbE)复合体以及放氧复合体蛋白PsbO和PsbP的含量显著下调,降低了光能捕获与利用、供体侧电子的产生与传递效率,质体醌库(PQ和PQH_2)的下降以及PC蛋白的显著性下调则进一步降低了黄化叶片的PSII到PSI之间的光合电子传递效率,但光合作用的暗反应过程并未受影响。(4)通过蛋白组鉴定到一个响应光强且在黄金芽中高表达的蛋白——CsHIPP26.1,对其进行功能探究发现,CsHIPP26.1基因和蛋白的表达随着光照强度的增加而增强,并且过表达CsHIPP26.1基因的苹果愈伤组织能够显著提高对强光胁迫的耐受性。通过酵母双杂交筛库发现了一个能够与CsHIPP26.1互作的CsPIF4蛋白,经过BiFC和体外pull-down验证发现CsPIF4能够与CsHIPP26.1在细胞核内互作。
【学位单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S571.1
【部分图文】：

图 1 被子植物叶绿素合成途径Fig. 1 Synthesis of chlorophyll in angiosperms表 2 叶绿素合成途径相关酶及基因Table 2 Enzymes and genesrelated to chlorophyll biosynthesis pathway步骤Step酶Enzyme基因名称Gene调控物质Regulatory substance1 谷氨酰-tRNA 还原酶(glutamyl tRNA reductase) HemA原叶绿素酸酯；FLU蛋白；血红素；光2谷 氨 酰 -1- 半 醛 转 氨 酶 (glutamate 1-semialdehydeaminotransferase)HemL1HemL2光3 5-氨基酮戊酸脱水酶(5-aminolevulinate dehydratase) HemB4 胆色素原合酶脱氨酶(porphobilinogen deaminase) HemC5 尿卟啉原 III 合酶(uroporphyriongen III synthase) HemD6 尿卟啉原脱羧酸酶(uroporphyrinogen decarboxylase) HemE7粪 卟 啉 原 氧 化 脱 羧 酶 (coproporphyrinogen oxidativedecarboxylase)HemF8 原卟啉原氧化酶(protoporphyrinogen oxidase) HemG19镁鳌合酶 D 亚基(Mg chelatase D subumit)镁鳌合酶 H 亚基(Mg chelatase H subumit)镁鳌合酶 I 亚基(Mg chelatase I subumit)ChlDChlHChlI昼夜节律；Mg2+、ATP浓度；GUN4 蛋白；ALA；亚基间的相互

绿素合成途径的调控素合成途径涉及到 15 种酶和 20 多个基因，每一步酶促反应受到抑变，都有可能导致叶绿素的合成受阻，造成叶绿素缺失。5-氨基酮戊第 2 步）、镁螯合酶催化反应（第 9 步反应）和叶绿素酸酯的合成主要控制点，直接影响叶绿素的合成。LA 合成的调控A 的合成是叶绿素合成途径的起始点，ALA 的含量决定了叶绿素合的总量。ALA 的合成反应从谷氨酰-tRNA 开始，由谷氨酰-tRNA-reductase，Glu-TR）催化形成 1-半醛-谷氨酸，1-半醛-谷氨酸是产物，随后由 1-半醛-谷氨酸转氨酶（GSA）催化形成 ALA(Ayumi 2009)。Glu-TR 和 GSA 两种酶结合形成蛋白复合物，从而阻止 1-半高 1-半醛-谷氨酸向 ALA 的转化效率，谷氨酰-tRNA 还原酶（Gl氨酸转氨酶（GSA）的活性直接影响 ALA 的合成。

催化 ATP 的酶活性对维持 ChlD 亚基的稳定性具有重要作用 (Lak13)。之外，镁螯合酶还参与了质体信号的传导，调控叶绿体发育相关核基的 ChlH 亚基可以通过质体信号调节捕光色素复合物基因（LHC 基i 等, 2001)，ChlD 亚基还参与了调控位于细胞核内的基因 LhcpII 镁螯合酶 ChlD 和 ChlI 亚基的基因突变体 Chlorina-1 和 Chlorina-9 体发育迟缓，基粒堆叠少，类囊体膜发育不全，叶绿素合成量下降素合成过程的中间产物受到严格调控，具有复杂的调控网络，合成突变可能影响所编码的酶翻译或者翻译后表达，并影响其它中间产水稻 ygl1 突变体的研究中发现，编码叶绿素合酶基因的突变，导致编因 HEMA 的表达降低了约 40%，同时还使编码叶绿素酸酯 a 加氧酶低 (Wu 等, 2007)，进一步影响了叶绿素的生物合成。
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本文编号：2883288