抗氧化系统调控甘薯贮藏特性的机制研究

发布时间：2020-09-11 08:16

　　民以食为天,食以粮为源。粮食是人类赖以生存的能量来源,更是一个国家经济发展的基础。我国作为农作物生产大国,粮食生产的稳定性和产量是基础性、长期性的目标。农产品采后贮藏技术是粮食作物供应充足的重要保障之一。但在采后贮藏过程中,由于粮食作物其本身贮藏特性的原因,每年由于采后贮藏不当所造成的损失十分严重。当作物在贮藏期发生衰老、干旱、受冷等生物进程时,其细胞内自由基代谢平衡失调,活性氧(reactive oxygen species,ROS)大量积累,造成细胞膜脂质过氧化,破坏细胞结果,加速作物死亡。甘薯(Ipomoea batatas(L.)Lam.)是一种富含淀粉及营养物质的粮食和工业原料作物,也是我国粮食储备的重中之重。而甘薯通常收获于春末及秋末,受低温及贮藏特性的影响,其采后贮藏损失十分严重。研究证实植物体内的抗氧化系统能够有效清除过量积累的活性氧,减弱植物因活性氧积累所造成的损伤,但抗氧化系统与作物贮藏特性之间的关系以及抗氧化系统响应作物采后贮藏生物进程的机制尚不清楚。本文以采后甘薯块根作为实验材料,从生理生化及基因水平分析甘薯抗氧化能力与其贮藏特性之间的关系,并探究甘薯抗氧化系统在低温胁迫下的响应机制,同时从转录水平上分析甘薯低温胁迫下的代谢及通路变化和低温胁迫响应基因的差异表达情况,结果表明谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs)可能在甘薯抵御低温胁迫时发挥了关键作用。随后构建番茄GST基因沉默载体,探索其在冷胁迫下的功能。实验结果表明抗氧化酶活性与甘薯的耐贮性呈正相关,而与ROS代谢物含量和LOX活性呈负相关。同时在低温胁迫下,甘薯抗氧化酶的活性受低温诱导在贮藏初期迅速增强。此后,由于ROS清除酶的逐渐丧失,ROS代谢物的含量急剧增加。耐贮藏甘薯品种具有较高的抗氧化酶活性,较高的抗氧化剂代谢物含量和较低的ROS代谢产物含量,表明抗氧化酶和抗氧化剂清除ROS的能力与甘薯对低温胁迫的耐受性密切相关。通过转录水平分析发现谷胱甘肽-S-转移酶可能在甘薯响应低温胁迫中发挥重要作用,番茄GST基因沉默植株对冷胁迫更为敏感,相较于野生型,其ROS代谢产物水平更高,证实GST基因通过其抗氧化及抗逆能力减少植物因冷害受到的损伤。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS255.3
【部分图文】：

植物,冷害

（MDA）大量积累，膜透性增加，电解质外渗，这会导致蛋白质和分子之间的交联效应，破坏膜的结构和功能。香蕉受到低温胁迫时电解质渗透率增加，叶片中抗坏血酸含量显著增加。黄瓜幼苗在冷害下其 SOD、POD、CAT 等酶的活性不同程度的下降，而经低温预处理的黄瓜幼苗，其活性氧清除酶的活性显著增加。低温胁迫下的水稻幼苗，其抗氧化物如谷胱甘肽（GSH）和抗坏血酸（AsA）等含量降低，SOD、谷胱甘肽还原酶（GR）活性也同时下降，而 MDA 含量则逐渐增加。耐冷植物比冷敏感植物具有更强的抗氧化能力。大量的基础研究表明胁迫条件下植物自身可以多种方式清除自由基，减少自由基的积累。也就是说，酶和非酶的抗氧化剂的增加可以增强植物的抗寒性[22]。低温诱导抗氧化酶的活性，并在低温胁迫下植物的损伤恢复中起着重要作用[23]。而作为活性氧清除酶之一，谷胱甘肽 S 转移酶（GSTs）在植物体内活性氧清除系统中是十分重要的。研究表明，植物 GSTs 可以响应多种非生物胁迫，其中冷害是诱导 GST 基因表达的常见胁迫之一。于烟草[24]，拟南芥[25]和水稻[26]中超量表达 GST 基因的植株在冷害胁迫下生长速度显著高于对照，且转基因植株中的 ROS 含量则低于对照，这说明 GST 在植物抵御由冷害引起的 ROS 过量积累所造成的损伤中是具有重要作用的。

抗氧化酶活性,代谢产物,耐贮藏,诱导氧化

OS 代谢产物及 MDA 含量分析积的 ROS 诱导氧化损伤并且与采后衰老过程有关，MDA 是脂质过6-68]。因此，我们测定了甘薯块根中 H2O2和 MDA 的含量以及 O2的图 2.2A C 所示。与烟薯 25 和苏薯 16 相比，耐贮藏品种徐薯 32 和2含量较低，而徐薯 32 的含量最低。图 2.2B 和 C 说明了 O2的产生含量与 H2O2含量具有相似的结果。与徐薯 32 和商薯 19 相比，不耐 25 和苏薯 16 中 O2的产生速率更高，MDA 含量更多。此外，与其比，最耐贮藏的品种徐薯 32 中含有最低水平的 ROS 代谢产物。图 2.1 甘薯块根中抗氧化酶活性及蛋白表达水平测定Figure 2.1 Determination of antioxidant enzyme activity and level of proteinexpression in sweet potato roots

产生速率,丙二醛含量,过氧化氢,叶片

为了探讨甘薯叶片与块根中是否存在类似的 ROS 代谢，我们在甘薯叶片中测定了抗氧化酶活性和 ROS 代谢物的含量。如图 2.3A D 所示，耐贮藏品种徐薯 32和商薯 19 叶片中 APX，POD，CAT 和 SOD 活性始终高于不耐贮藏品种烟薯 25 和苏薯 16。此外，聚丙烯酰胺凝胶电泳中的活性显示出与活性测定数据一致的结果（图 2.3 G J）。图 2.3 F 显示，与烟薯 25 和苏薯 16 相比，耐贮藏品种商薯 19 和徐薯 32 的 LOX 水平较低。图 2.2 D F 显示，不耐贮藏品种烟薯 25 和苏薯 16 的叶片中的 ROS 代谢产物和 MDA 含量高于两个耐贮藏品种商薯 19 和徐薯 32，与甘薯块根中测定的结果基本相似。图 2.2 甘薯块根和叶片中超氧阴离子产生速率、过氧化氢和丙二醛含量差异Figure 2.2 Difference in superoxide anion production rate, hydrogen peroxide andmalondialdehyde content in roots and leaves of sweet potato

【参考文献】