干旱条件下外源蔗糖对高表达玉米C 4 型pepc水稻种子萌发的影响

发布时间：2022-02-17 22:25

　　为揭示外源蔗糖参与干旱胁迫下高表达转玉米C₄型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPC）基因（C₄-pepc）水稻（简称:PC）种子萌发的生理机制,该研究以PC及其未转基因野生型受体‘Kitaake’（简称:WT）的种子为材料,研究外施不同浓度蔗糖联合模拟干旱（10%PEG-6000）处理下,其种子发芽参数、总可溶性糖及可溶性蛋白含量、蔗糖非发酵1 （sucrose nonfermenting-1, SNF1）相关蛋白激酶（SNF1-related protein kinase 1s, SnRK1s）基因以及PEPC基因表达等参数的变化。结果表明:（1）PEG-6000模拟干旱处理均显著抑制两材料发芽,但明显促进胚根的生长;外施蔗糖则呈现浓度效应,高浓度蔗糖(>150 mmol·L^-1)进一步加剧了干旱对发芽的抑制效应,而低浓度(<30 mmol·L^-1)则可缓解干旱的抑制,但与WT(<30 mmol·L^-1

【文章来源】：西北植物学报. 2020,40(11)北大核心CSCD

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

不同浓度蔗糖联合PEG-6000处理对种子C4-pepc

根据图1不同处理的发芽表现,选取了4个处理,包括对照(CK)、单独干旱处理(DS)以及分别对WT (DS+30 mmol/L Suc)和PC (DS+3 mmol/L Suc)增益效果的蔗糖浓度,进一步分析其品种差异表现的内在生理机制。如表2所示,在WT中,种子内可溶性糖的含量均在12 h时开始显著上升,且24 h时达到最高水平,单独干旱处理组和联合处理组种子内可溶性糖含量均比对照高,但两个糖浓度处理下可溶性糖的含量差异不明显,24 h之后种子内可溶性糖含量逐渐下降,96 h时基本已下调至初始水平;而在PC中,4种处理后可溶性糖含量变化趋势有所差别,对照和单独干旱处理组种子内可溶性糖含量随着萌芽时间的延长,含量逐渐上升,且单独干旱处理后比对照种子内可溶性糖含量高,而联合处理的两组,种子内可溶性糖含量先上升,后下降,且与WT一致的也是24 h时达到最大值,特别是3 mmol·L-1 蔗糖联合干旱处理组,种子内可溶性糖含量24 h内骤然上升,96 h时又回落至与对照类似的水平。可见,可溶性糖在两种材料中经PEG-6000模拟的干旱处理后与对照相比都有上调趋势,说明种子在面临干旱胁迫时,利用增加可溶性糖的途径增加了渗透势。各处理间种子可溶性蛋白含量的变化见表3,总可溶性蛋白均呈下降的趋势,单独干旱处理和蔗糖联合干旱处理,可以缓解一些可溶性蛋白降解,与未处理对照相比,在处理12 h时, 两供试材料无论是单独干旱还是干旱联合2种蔗糖浓度的处理,均呈显著增加趋势;之后处理的可溶性蛋白则成下降趋势。其中对于WT而言,30 mmol·L-1蔗糖联合干旱处理组的缓解效果最好,而对于PC而言则是3 mmol·L -1 蔗糖联合干旱处理组的。可见,外源蔗糖引入后,可引起供试材料种子在响应干旱时其可溶性糖以及可溶性蛋白在种子萌发不同阶段的变化,其中PC的产生渗透物质更多,有利于其耐旱。2.3 外施不同浓度蔗糖联合PEG-6000模拟干旱处理后种子内可溶性糖组分含量的变化

磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)是多功能酶,在植物的各个生命过程发挥重要作用。首先,在C4植物和CAM植物中,它是位于植物碳水化合物固定的关键分支点的重要酶,它可在HCO-3存在下催化PEP不可逆的β-羧化,Mg2+作为辅助因子产生OAA和Pi,在植物光合作用中发挥重要作用[5]。近年来,发现该酶存在于所有植物、绿藻和蓝细菌以及大多数古细菌和非光合细菌中,并以非光合酶发挥重要作用[38-40]。本研究以PC种子为研究材料,并以WT种子为对照,外施不同浓度蔗糖联合10% PEG-6000模拟干旱处理,观察到10%PEG-6000单独模拟干旱处理下,均抑制了两材料种子的萌发表现,其中PC种子发芽表现比WT好,进一步在外源低蔗糖浓度处理范围内,均能缓解WT和PC种子萌发因干旱胁迫而受到的抑制,其中3 mmol·L-1蔗糖溶液处理是PC的最佳处理浓度,而30 mmol·L-1蔗糖溶液处理则更适合WT的,可见对缓解PC芽期干旱抑制的蔗糖浓度更低,而且,在PC萌发过程中,外源导入C4-pepc和内源性Osppc2a随着干旱处理和联合干旱处理早期呈现互补式上调趋势,提示蔗糖对PC水稻干旱下萌发表现的缓解作用与外源C4-pepc基因导入水稻有关。磷酸烯醇丙酮酸羧化酶是属于包括植物型PEPC(Plant-type phosphoenolpyruvate carboxylase, PTPC)和细菌型PEPC(Bacterial-type phosphoenolpyruvate carboxylase, BTPC) 小型多基因家族。BTPC和PTPC相互作用,形成2类异性寡聚多肽复合物,在蓖麻(Ricinus communis)种子发育中发挥重要作用[41]。PTPC基因编码的105～110 kD多肽,其具有保守的N-末端丝氨酸-磷酸化结构域,并且通常以同源四聚体1类PEPC存在[42]。 PTPCs被归类为光合作用[C4和CAM (Crassulacean acid metabolism)PEPCs]或非光合作用(C3)同工酶。所有PTPCs都是从一个共同的祖先基因进化而来,在遗传水平上表现出高度的保守性[43]。C4和CAM叶片的光合PTPC同工酶的生物化学和遗传学也进行了广泛研究,并阐明了其酶催化和调节特征。而关于PTPCs非光合作用的功能也逐渐被揭示,主要包括促进碳氮相互作用、种子形成和萌发以及果实成熟,并在气孔开放期间保护细胞代谢和提供苹果酸盐作为豆科植物根瘤共生N2固定细菌的呼吸基质等[40]。对淀粉储存谷物种子如大麦(Hordeum vulgare)和小麦(Triticum aestivum)以及储油双子叶植物种子的研究一直暗示着PEPC在种子萌发过程中具有重要的补缺功能,以建立引发随后的三羧酸循环(Tricarboxylic acid cycle,TCA)和乙醛酸循环活性所需的C4酸细胞库[44-45]。Ruiz-Ballesta等[46]通过PEPC对高粱发芽的种子的研究表明:谷物种子同时通过单泛素化和磷酸化过程,在其糊粉层合成并分泌各种酸性水解酶,以调动底层胚乳中的淀粉和蛋白质储备。通过同位素稳态代谢中间体标记的方法研究发芽莴苣(Lactuca sativa)种子中TCA循环的模型表明,70%来自碳水化合物氧化的糖酵解通量通过PEPC反应进入TCA循环[47]。在干旱条件下,外源导入的C4-pepc在转基因水稻植株中诱导增加,这个基因的调节受到H2O 2 [8] 、NO[48]、磷脂酸[49]以及钙离子[50]等信号的调节。本研究结果也表明,经蔗糖联合干旱处理后,PC萌发的种子中与对照相比具有较高的发芽表现,并具有较高的总的可溶性糖和可溶性蛋白含量,且C4-pepc表达也显著上调;同时,PC水稻内源的Osppc2a在单独模拟干旱处理6 h时可诱导显著增加,提示内源的C3型PEPC可能也发挥作用,而蔗糖引入后,其Osppc2a表达量虽有所下降,但仍高于WT同期处理。至于单独模拟干旱条件诱导内源C3型PEPC基因的表达是否与水稻外源C4型PEPC基因的导入相关,还需深入研究。

【参考文献】：
期刊论文
[1]干旱条件下DCMU对高表达转C4-pepc水稻的花青素合成基因及其相关信号的影响[J]. 何亚飞,许梦洁,李霞.  中国生态农业学报. 2018(03)
[2]外源葡萄糖增强高表达转玉米C4型pepc水稻耐旱性的生理机制[J]. 张金飞,李霞,何亚飞,谢寅峰.  作物学报. 2018(01)
[3]植物SnRKs家族在胁迫信号通路中的调节作用[J]. 张金飞,李霞,谢寅峰.  植物学报. 2017(03)
[4]基于小麦种子发芽逆境抗逆指数的种子活力评价[J]. 陈蕾太,孙爱清,杨敏,陈路路,马雪丽,李美玲,尹燕枰.  应用生态学报. 2016(09)
[5]植物中糖信号及其对逆境调控的研究进展[J]. 何亚飞,李霞,谢寅峰.  植物生理学报. 2016(03)
[6]Improved oxidative tolerance in suspension‐cultured cells of C4-pepctransgenic rice by H2O2 and Ca2+under PEG-6000[J]. Baoyun Qian,Xia Li,Xiaolong Liu,Man Wang.  Journal of Integrative Plant Biology. 2015(06)
[7]干旱胁迫下调节ATP的含量对提高转玉米C4型pepc水稻光合速率的影响[J]. 霍垲,陆巍,李霞.  中国生态农业学报. 2015(05)
[8]转ppc基因水稻苗期抗旱特性研究[J]. 方立锋,丁在松,赵明.  作物学报. 2008(07)
[9]水稻种子贮藏谷蛋白α-2亚基减少突变体[J]. 曲乐庆,魏晓丽,佐藤光,小川雅广,熊丸敏博.  植物学报. 2001(11)



本文编号：3630212