腐胺缓解黄瓜植株盐胁迫伤害的生理和蛋白质基础

发布时间：2020-07-08 14:35

【摘要】：土壤盐渍化(Soil salinization)是全球性的资源和生态问题,也是限制农业生产的主要环境因素之一。盐渍化土壤中含量最丰富的可溶性盐是NaCl,NaCl胁迫是盐胁迫的主要类型,会造成植物水分亏缺,扰乱离子平衡,限制植株生长发育。黄瓜(Cucumis sativus L.)在露地和设施环境中均广泛种植,是我国栽培面积最大的蔬菜作物之一,对土壤盐渍化非常敏感,盐渍环境中黄瓜植株光合能力下降,生长发育受到抑制,果实产量和品质下降。多胺是一类小分子的脂肪族含氮化合物,生理pH下通常质子化而带正电荷,具有强烈的生物活性,广泛参与植物生理代谢过程,并调节植物对生物、非生物胁迫的响应,外源施加多胺能够有效提高植物抗逆性。腐胺(Put)在调节植物生理过程中的作用已有报道,研究发现,Put能够提高植物的光化学效率,降低毒性离子Na+及Cl-的积累,增强抗氧化防御能力,提高植物耐盐性,然而,这些研究多集中在生理水平,关于Put诱导的形态变化、生理响应和耐盐分子机制间的联系还有待进一步深入探讨。本研究以盐敏感型的黄瓜品种'津优4号'为试验材料,采用营养液栽培,研究叶面喷施8 mM Put对盐胁迫(75mM NaCl)下黄瓜幼苗叶片形态结构、光合作用和碳水化合物代谢的影响;以及营养液添加0.8 mM Put,研究其对胁迫下黄瓜幼苗根系形态、蛋白质组变化,植株水平Na+/K+平衡,结果期光合生理、单果重及果实品质的调节,揭示Put提高植株耐盐性的生理和分子机制。主要研究结果如下:1.NaCl胁迫显著抑制黄瓜幼苗生长,降低叶片光合作用能力。叶面喷施Put能够改善盐胁迫下黄瓜幼苗叶片的气孔特征,并提高叶片Rubisco最大羧化效率、光饱和电子传递速率、磷酸丙糖转运速率和CO2饱和点,降低CO2补偿点,提高黄瓜叶肉细胞固碳能力;Put调节叶片中蔗糖和淀粉代谢相关酶活性,减少叶片中蔗糖和淀粉含量,减轻产物过度积累对光合作用的反馈抑制,提高黄瓜叶片光合作用能力,促进黄瓜幼苗生物量的积累。2.NaCl胁迫下,黄瓜幼苗根系活力和生长受到抑制,营养液添加Put后黄瓜根系平均生长速率提高80%,根系活力显著增强。此外,处理7d时,成功分离鉴定到黄瓜根中62个蛋白点响应Put或NaCl处理,这些蛋白主要参与胁迫防御反应、蛋白代谢、碳水化合物代谢和氨基酸代谢,一些次级代谢过程和细胞结构相关蛋白也受到影响。外源Put显著上调参与碳水化合物代谢和氨基酸代谢的蛋白表达,暗示其在能量产生和碳氮利用中的作用;防御反应和蛋白质代谢相关蛋白的差异表达表明Put在胁迫防御和蛋白质组重排中的作用。此外,Put增加NaCl胁迫下黄瓜根中游离氨基酸含量,调节多胺合成和分解相关酶的转录,改变内源多胺水平。总之,Put综合调控盐胁迫下黄瓜根中碳氮代谢和防御反应,提高根系耐盐性。3.NaCl胁迫下,黄瓜幼苗中Na+显著积累,根中Na+含量从表皮到中柱组织逐渐下降,茎中Na+主.要在维管束组织中积累,叶片叶脉中Na+含量高于叶肉组织,木质部汁液中Na+浓度显著增加;胁迫下黄瓜幼苗根、茎、叶中K+含量显著下降,而木质部汁液中K+浓度增加。施加Put后,黄瓜幼苗根和叶各组织中Na+的积累显著下降,而茎皮层和初生韧皮部中Na+含量有所增加,木质部汁液中Na+浓度显著降低;此外,Put不同程度增加根、茎、叶各组织中K+含量,且进一步提高木质部汁液中K+浓度。对离子转运相关蛋白基因表达水平进行分析,发现NaCl胁迫下施加Put总体上能够提高黄瓜幼苗根和叶片中SOS1和NHX的表达,也上调叶片中HKT表达,但降低根中HHT的转录水平,Put对质子泵PH4、VHA和VPP的表达也有不同影响,说明Put能够调节离子的转运,维持盐胁迫下黄瓜体内的Na+/K+平衡。4.NaCl胁迫下施加Put能够提高黄瓜幼苗根中二胺氧化酶活性,增加H2O2含量。盐胁迫下施用H2O2清除剂DMTU或二胺氧化酶抑制剂AG会减弱Put降低Na+积累、抑制K+流失的能力,说明盐胁迫下外源Put通过增加多胺的氧化来提高H202含量,这是Put有效降低NaCl胁迫下黄瓜幼苗中Na+含量、增加K+积累的重要原因。5.黄瓜植株结果期遭受盐胁迫,植株生长和生物量的积累都会受到明显抑制,叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间C02浓度(Ci)均显著下降;黄瓜果实畸形,单果鲜重下降,果实中单宁、可滴定酸、游离态氨基酸、可溶性糖含量增加,维生素C和可溶性蛋白含量下降。胁迫下施加Put能够显著提高PPn和Tr,增强黄瓜叶片光合作用能力;显著增加PSII最大光化学效率、实际光化学效率和调制性热耗散,降低非调制性热耗散,减轻过剩激发能对光合反应中心的损伤,提高反应中心的光化学活性;Put改善盐胁迫造成的果实畸形,增加单果重,降低果实中单宁和可滴定酸含量,提高糖酸比,增加维生素C和可溶性蛋白含量,一定程度上改善果实营养品质和风味。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S642.2
【图文】：

外排,调控机制,植物根,细胞

（Ｗｅｇｎｅｒ邋ａｎｄ邋Ｂｏｅｒ，１９９７）。盐胁迫下Ｎａ＋和Ｃｌ？的大量吸收会抑制细胞内必需营养元素逡逑的积累，导致植株矿质营养失衡（Ｚｈｕ，２００１）。逡逑图１－１概括了植物根系对Ｎａ＋的吸收以及向地上部的转运过程。盐胁迫下Ｎａ＋主逡逑要通过根系表皮细胞膜上的非选择性阳离子通道（ｎｏｎ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋ｃａｔｉｏｎ邋ｃｈａｎｎｅｌ，逡逑ＮＳＣＣｓ）进入根系（Ｔｅｓｔｅｒ邋ａｎｄ邋Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ，邋２００３）。高亲和性邋Ｋ＋转运蛋白（Ｈｉｇｈ－ａｆｆｉｎｉｔｙ逡逑Ｋ＋邋Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ，邋ＨＫＴ）普遍存在于植物体中，在缺Ｋ＋环境中也会介导根系对Ｎａ＋的吸逡逑收（Ｈｏｒｉｅｅｔａｌ．，２００７）。表皮细胞吸收的Ｎａ＋在一系列转运蛋白的作用下进入中柱，经逡逑由Ｋ＋外向整流通道等途径从中柱细胞外流进入木质部，进而随蒸腾流进入叶片，整个逡逑过程需要多种离子通道和转运蛋白协同作用。逡逑细胞膜上的Ｎａ＋／Ｈ＋反向转运蛋白（ＳＯＳ１）执行着细胞质中Ｎａ＋外排的功能，这一逡逑过程需要ＳＯＳ邋（Ｓａｌｔ邋Ｏｖｅｒｌｙ邋Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）途径中多种元件共同作用（Ｚｈｕ，邋２００３）。盐胁迫逡逑诱导细胞内Ｃａ２＋浓度增加

植物细胞,场所,过氧化物酶体,有氧代谢

及高度活跃的分子形式如单线态氧（办）和过氧化氢（Ｈ２０２）等。活性氧逡逑作为有氧代谢副产物，主要在叶绿体、线粒体和过氧化物酶体中产生，液泡因膜上逡逑ＮＡＤＰＨ氧化酶和ＩＩＩ类过氧化物酶的存在也是ＲＯＳ的重要来源（图１－３所示），细胞逡逑６逡逑

多胺,吡咯啉,亚精胺,精胺

１多胺代谢逡逑１．１多胺的合成与降解逡逑多胺在植物体内的动态平衡由其合成和降解共同调节。如图１－４所示，Ｐｕｔ是多逡逑胺合成的中心物质，其合成前体是氨基酸，精氨酸或鸟氨酸的脱羧反应是Ｐｕｔ合成的逡逑第一步，分别在精氨酸脱羧酶（ＡＤＣ）和鸟氨酸脱羧酶（ＯＤＣ）的催化下完成。ＡＤＣ逡逑途径合成Ｐｕｔ通常与植物对胁迫的响应有关，环境胁迫下植物中Ｐｕｔ的积累往往是逡逑ＡＤＣ活性急剧增加导致的ＣＢｏｕｃｈｅｒｅａｕｅｔａｌ．，１９９９）。Ｐｕｔ合成后由Ｓ－腺苷甲硫l#酸脱逡逑羧酶（ＳＡＭＤＣ）不断供应氨丙基可继续合成Ｓｐｄ和Ｓｐｍ，这一过程还需要亚精胺合逡逑酶（ＳＰＤＳ）和精胺合酶（ＳＰＭＳ）的催化。逡逑多胺的降解由多胺氧化酶（ＰＡＯ）和二胺氧化酶（ＤＡＯ）催化完成。Ｓｐｄ和Ｓｐｍ逡逑主要由含黄素蛋白的多胺氧化酶降解，最终产生Ａ１－吡咯啉（亚精胺产物）、ｌ－（３－氨丙逡逑基）－吡咯啉（精胺产物）、１，３－二氨丙烷和Ｈ２0２，此外，ＰＡＯ也能催化由Ｓｐｍ向Ｓｐｄ逡逑和Ｓｐｄ向Ｐｕｔ的降解（Ｍｏｓｃｈｏｕ邋ｅｔ邋ａｌ．

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