5-氨基乙酰丙酸调控番茄耐冷性的作用机制
发布时间:2020-08-10 13:38
【摘要】:番茄是一种重要的喜温性蔬菜作物,在我国冬季和早春季节生产中常遭遇低温伤害,严重影响了其正常生长发育,降低了产量和品质。因此,探究缓解番茄低温逆境伤害的途径,对于实现番茄的越冬安全生产尤为重要,具有重要的科学和现实意义。本文以番茄(Solanum lycopersicum L.)为试材,研究了外源5-氨基乙酰丙酸(ALA)对低温胁迫下番茄幼苗叶片中氧化还原平衡、内源激素水平、叶绿素合成及转录水平的调控作用;明确参与ALA调控番茄氧化还原平衡的信号分子,通过转录组分析ALA诱导的差异表达基因,并采用病毒诱导的基因沉默技术(VIGS)对筛选的关键基因谷胱甘肽-S-转移酶基因(GSTU43)在番茄低温胁迫下抗氧化作用及叶绿素合成中的作用进行了研究。所取得的主要结果如下:1.外源施用适宜浓度ALA可以增强不同品种番茄低温耐性,提高了番茄的抗氧化能力。低温造成了两个低温敏感型不同的番茄品种幼苗氧化胁迫伤害,?金棚1号‘番茄对低温敏感性高于?中杂9号‘番茄品种。外源预喷施6 mL、25 mg·L~(-1) ALA能显著增强不同品种番茄低温抗性,缓解膜脂过氧化伤害。2.H_2O_2、JA、NO、GSH和AsA参与ALA调控低温胁迫下番茄抗氧化作用。外源施用ALA诱导番茄幼苗叶片中呼吸爆发氧化酶同系物1(RBOH1)基因表达量及质外体膜H_2O_2含量的显著上调。质外体H_2O_2在番茄感知和传递低温信号中起重要作用,其能提高低温胁迫下番茄幼苗叶片中的还原型谷胱甘肽(GSH)和AsA的比例,而GSH和AsA与H_2O_2信号存在交互作用,从而提高了低温胁迫下番茄幼苗的抗氧化能力。此外,外源ALA能够诱导番茄幼苗叶片中茉莉酸(JA)水平的增加,H_2O_2和JA在低温胁迫下番茄抗氧化作用中既可独立发挥作用,又存在协同作用。一氧化氮(NO)可能位于H_2O_2下游,与JA合作,共同调控抗氧化酶基因表达及活性,从而增强番茄抗氧化作用。3.外源施用ALA缓解了低温引起的番茄幼苗叶片中叶绿素合成障碍,促进了叶绿素合成进程,这一过程受非转录水平调控。低温处理降低了番茄幼苗叶片中叶绿素及其大多前体的含量,但胆色素原(PBG)和尿卟啉III(UROIII)含量和叶绿素a/b(Chl a/b)则有所增加。低温胁迫下,ALA预处理的番茄幼苗叶片中PBG和UROIII含量较单独低温处理的植株显著降低,而叶绿素含量和其他前体物质含量则显著提高。低温或外源ALA处理对叶绿素合成关键酶基因的调控与中间物质含量变化趋势并不一致。综上,外源ALA可以促进低温胁迫下番茄幼苗叶片中叶绿素的正常合成,但对叶绿素合成的调控作用可能在转录后或翻译水平,而非转录水平。4.GST在ALA调控低温下番茄抗氧化及叶绿素合成中起重要作用。外源ALA可诱导低温胁迫下番茄幼苗叶片中GSTs、谷氨酸脱羧酶基因(GADs)、细胞壁合成酶基因(XTHs、tXET及UDPGH)的上调表达,其中,GSTU43基因和蛋白表达及GST活性均被显著诱导。采用VIGS技术沉默GSTU43基因,降低了番茄幼苗叶片中GST,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT),抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性及GSH比例,加重了植株的膜脂过氧化程度,增加了叶片中卟啉类化合物的含量。外源ALA预处理GSTU43沉默植株,提高了叶片中上述抗氧化酶活性,缓解了膜脂过氧化程度,降低了卟啉类化合物的含量。综上,外源ALA能够诱导GSTU43基因的上调及GST酶活性,AsA-GSH循环与GST协同发挥作用,调控植株的氧化还原状态,增强番茄植株的低温抗性,从而缓解膜脂过氧化伤害,维持叶片中叶绿素的正常合成。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S641.2
【图文】:
图 1-1 植物响应低温逆境的激素信号调控网络(Eremina et al. 2016)Fig. 1-1 Regulatory network of hormone signal involved in plant response to low temperature stress(Eremina et al. 2016)生长素在调控植物生长及发育方面已有很多研究。然而,关于其在调控植物冷胁迫响应方面研究很少。研究表明,低温可以诱导拟南芥和水稻植株中一些生长素调节的基因(Jain et al. 2009)。冷胁迫可增加植株中 IAA 的水平,调控生长发育进程,提高植物的冷胁迫适应性(Du et al. 2013)。但也有研究表明,低温可通过 ARR1/12 调控,减少生长素的积累,从而抑制植物根系生长(Zhu et al. 2015)。一些激素可与生长素互作,共调控植物的生长发育,CKs 就是最重要的一种(Eremina et al. 2016)。高等植物中最常见的 CKs 是异戊烯腺嘌呤和玉米素(Sakakibara2006)。研究表明,CKs 及其信号系统(TCS)参与了植物体对低温信号的响应(Jeon andKim 2013; Jeon et al. 2016; Shi et al. 2012)。CKs 信号可以通过 AHK2、AHK3 和 AHK4三个组氨酸蛋白激酶受体传递(Eremina et al. 2016)。研究表明,ahk2 ahk3 双突变株系促进 MYB15 的基因表达,抑制 CBF3 的表达,最终抑制 CBF 调控基因的表达,因此,
图 1-2 植物体 GSTs 的调控与功能(Nianiou-Obeidat et al. 2017)Fig. 1-2 Plant GSTs regulation and functions (Nianiou-Obeidat et al. 2017)物叶绿素合成及其氧化还原调控绿素合成过程绿素(Chl)是绿色植物叶绿体内重要色素,在光合作用捕光及能量转换吴自明等 2008)。高等植物中 Chl 生物合成的主要位点是质体,Chl 生物键酶由核基因编码翻译后导入叶绿体(Kobayashi and Masuda 2016; Ta 2006)。在高等植物中,大多数负责 Chl 生物合成途径的基因已被鉴定,促步骤也已确定(图 1-3,Tripathy and Pattanayak 2012)。先,谷氨酸-tRNA 合成酶催化谷氨酸与相应的 tRNA 结合生成谷氨tRNA),在谷氨酸-tRNA 还原酶(GluTR)催化下合成谷氨酰-1-半醛,随-半醛转氨酶(GSA-AT)作用下形成 ALA。ALA 的合成是整个通路的限速因素在转录和翻译水平上精准调控(Apitz et al. 2016; Richter and Grimm
图 1-3 绿色植物质体内叶绿素合成路线(Tripathy and Pattanayak 2012)Fig. 1-3 Intraplastidic chlorophyll biosynthesis route in green plants(Tripathy and Pattanayak 2012)两分子的 ALA 在 5-氨基乙酰丙酸脱水酶(ALAD)催化下合成胆色素原(PBG),后在胆色素原脱氨酶(PBGD)和尿卟啉原 III 合酶作用下形成尿卟啉原 III(UROIII)。通过几步脱羧反应和氧化反应,合成原卟啉 IX(Proto IX)。此后,细胞的代谢分支分为两种不同的路径,即 Fe 分枝和 Mg 分枝。Fe 分支促使血红素及其衍生物的形成,而Mg 分支的催化反应则促使叶绿素的形成(Kobayashi and Masuda 2016)。Mg 螯合酶将 Proto IX 转化为镁原卟啉 IX (Mg- proto IX)。Mg- proto IX 随后可能转移到包膜和类囊体,被镁原卟啉 IX 甲基转移酶(MgMT)和镁原卟啉原 IX 单甲酯环化酶(MPEC)酯化生成原叶绿素酸酯(Pchlide)。被子植物中,原叶绿素酸酯氧化还原酶(POR)蛋白存在于包膜和类囊体膜中,在光照条件下催化 Pchlide 生成叶绿素酸酯(Chlide)。随后,Chlide 在叶绿素合成酶的作用下发生酯化,形成叶绿素 a(Chl a)。Chlide 在叶绿素酸酯 a 氧化酶(CAO)和叶绿素合成酶的催化下形成叶绿素 b(Chl b,
本文编号:2788149
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S641.2
【图文】:
图 1-1 植物响应低温逆境的激素信号调控网络(Eremina et al. 2016)Fig. 1-1 Regulatory network of hormone signal involved in plant response to low temperature stress(Eremina et al. 2016)生长素在调控植物生长及发育方面已有很多研究。然而,关于其在调控植物冷胁迫响应方面研究很少。研究表明,低温可以诱导拟南芥和水稻植株中一些生长素调节的基因(Jain et al. 2009)。冷胁迫可增加植株中 IAA 的水平,调控生长发育进程,提高植物的冷胁迫适应性(Du et al. 2013)。但也有研究表明,低温可通过 ARR1/12 调控,减少生长素的积累,从而抑制植物根系生长(Zhu et al. 2015)。一些激素可与生长素互作,共调控植物的生长发育,CKs 就是最重要的一种(Eremina et al. 2016)。高等植物中最常见的 CKs 是异戊烯腺嘌呤和玉米素(Sakakibara2006)。研究表明,CKs 及其信号系统(TCS)参与了植物体对低温信号的响应(Jeon andKim 2013; Jeon et al. 2016; Shi et al. 2012)。CKs 信号可以通过 AHK2、AHK3 和 AHK4三个组氨酸蛋白激酶受体传递(Eremina et al. 2016)。研究表明,ahk2 ahk3 双突变株系促进 MYB15 的基因表达,抑制 CBF3 的表达,最终抑制 CBF 调控基因的表达,因此,
图 1-2 植物体 GSTs 的调控与功能(Nianiou-Obeidat et al. 2017)Fig. 1-2 Plant GSTs regulation and functions (Nianiou-Obeidat et al. 2017)物叶绿素合成及其氧化还原调控绿素合成过程绿素(Chl)是绿色植物叶绿体内重要色素,在光合作用捕光及能量转换吴自明等 2008)。高等植物中 Chl 生物合成的主要位点是质体,Chl 生物键酶由核基因编码翻译后导入叶绿体(Kobayashi and Masuda 2016; Ta 2006)。在高等植物中,大多数负责 Chl 生物合成途径的基因已被鉴定,促步骤也已确定(图 1-3,Tripathy and Pattanayak 2012)。先,谷氨酸-tRNA 合成酶催化谷氨酸与相应的 tRNA 结合生成谷氨tRNA),在谷氨酸-tRNA 还原酶(GluTR)催化下合成谷氨酰-1-半醛,随-半醛转氨酶(GSA-AT)作用下形成 ALA。ALA 的合成是整个通路的限速因素在转录和翻译水平上精准调控(Apitz et al. 2016; Richter and Grimm
图 1-3 绿色植物质体内叶绿素合成路线(Tripathy and Pattanayak 2012)Fig. 1-3 Intraplastidic chlorophyll biosynthesis route in green plants(Tripathy and Pattanayak 2012)两分子的 ALA 在 5-氨基乙酰丙酸脱水酶(ALAD)催化下合成胆色素原(PBG),后在胆色素原脱氨酶(PBGD)和尿卟啉原 III 合酶作用下形成尿卟啉原 III(UROIII)。通过几步脱羧反应和氧化反应,合成原卟啉 IX(Proto IX)。此后,细胞的代谢分支分为两种不同的路径,即 Fe 分枝和 Mg 分枝。Fe 分支促使血红素及其衍生物的形成,而Mg 分支的催化反应则促使叶绿素的形成(Kobayashi and Masuda 2016)。Mg 螯合酶将 Proto IX 转化为镁原卟啉 IX (Mg- proto IX)。Mg- proto IX 随后可能转移到包膜和类囊体,被镁原卟啉 IX 甲基转移酶(MgMT)和镁原卟啉原 IX 单甲酯环化酶(MPEC)酯化生成原叶绿素酸酯(Pchlide)。被子植物中,原叶绿素酸酯氧化还原酶(POR)蛋白存在于包膜和类囊体膜中,在光照条件下催化 Pchlide 生成叶绿素酸酯(Chlide)。随后,Chlide 在叶绿素合成酶的作用下发生酯化,形成叶绿素 a(Chl a)。Chlide 在叶绿素酸酯 a 氧化酶(CAO)和叶绿素合成酶的催化下形成叶绿素 b(Chl b,
【参考文献】
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3 赵艳艳;胡晓辉;邹志荣;燕飞;;不同浓度5-氨基乙酰丙酸(ALA)浸种对NaCl胁迫下番茄种子发芽率及芽苗生长的影响[J];生态学报;2013年01期
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本文编号:2788149
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