钙对酸雨胁迫下不同生育期大豆质膜质子泵活性与功能的调节机制

发布时间：2019-04-27 11:13

【摘要】：酸雨(acid rain,AR_)是世界性的环境问题,导致农林业减产和巨额经济损失,因此寻找有效的减轻植物酸致伤的途径显得尤为重要。钙(calcium,Ca~(2+))作为植物体内必要的营养元素和信号转导的第二信使,是植物抗逆研究的热点。本文利用高效液相色谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、实时荧光定量PCR等手段来研究外施Ca~(2+)(Ca~(2+)1/5 mM,Ca~(2+)2/10 mM)对酸雨(AR_1/pH 4.5,AR_2/pH 3.0)处理下不同生育期(幼苗期、结荚期和鼓粒期)大豆生长、抗逆能力、质膜质子泵活性、营养元素含量及根系质膜质子泵基因(GmPHA1)相对表达量的影响,从质膜质子泵调节营养吸收的角度探究外施Ca~(2+)缓解酸雨对不同生育期大豆生长与抗逆能力的影响,以及Ca~(2+)调节质膜质子泵活性的内在机制,为缓解酸雨导致的农作物减产及品质下降提供理论依据。实验主要结果如下:(1)考察外施Ca~(2+)对酸雨胁迫下不同生育期大豆生长与抗逆能力影响的结果表明:AR_1和AR_2显著抑制大豆的生长,同时导致大豆叶绿素含量下降,根系质膜透性增大,影响程度:AR_1AR_2,幼苗期鼓粒期结荚期;AR_1+Ca~(2+)1、AR_1+Ca~(2+)2处理组大豆生物量、叶绿素含量高于AR_1处理组,根系质膜透性低于AR_1处理组,Ca~(2+)对幼苗期和结荚期大豆生长与抗逆能力的缓解效果AR_1+Ca~(2+)1处理组优于AR_1+Ca~(2+)2处理组,而在鼓粒期Ca~(2+)的缓解效果AR_1+Ca~(2+)1与AR_1+Ca~(2+)2处理组无显著差异;AR_~(2+)Ca~(2+)1、AR_~(2+)Ca~(2+)2处理组大豆生物量、叶绿素含量仍低于CK,但显著高于AR_2处理组,根系质膜透性仍大于CK,但显著低于AR_2处理组,且Ca~(2+)缓解效果AR_~(2+)Ca~(2+)1处理组优于AR_~(2+)Ca~(2+)2处理组,说明外施Ca~(2+)可以缓解酸雨胁迫对大豆生长的抑制、促进叶绿素合成、维持根系质膜完整性,但缓解效果受酸雨强度限制,其中Ca~(2+)对大豆生长的调控效果:幼苗期鼓粒期结荚期。恢复5天后,AR_1+Ca~(2+)1、AR_1+Ca~(2+)2处理组大豆生物量仍高于AR_1处理组,说明外施Ca~(2+)对缓解pH 4.5酸雨对大豆生长的抑制具有实效性;AR_~(2+)Ca~(2+)1、AR_~(2+)Ca~(2+)2处理组大豆生长、叶绿素含量优于胁迫期,可见外施Ca~(2+)可以有利于AR_~(2+)Ca~(2+)1和AR_~(2+)Ca~(2+)2处理组大豆生长、叶绿素含量的恢复,但恢复程度受酸雨强度限制。(2)考察外施Ca~(2+)对酸雨胁迫下质膜质子泵活性与营养吸收的影响结果表明:AR_1处理组大豆根系质膜质子泵活性升高,升高幅度:幼苗期结荚期鼓粒期,AR_2抑制大豆根系质膜质子泵活性,抑制程度:幼苗期鼓粒期结荚期;AR_1、AR_2处理组大豆中NO3-、P、K、Na、Mg和Zn的含量下降,下降幅度:AR_1AR_2。AR_1+Ca~(2+)1处理组大豆根系质膜质子泵活和钙泵活性接近CK水平,相比AR_1处理组降低,大豆中NO3-、P、Mg和Zn含量接近CK水平,K含量仍低于CK,但显著高于AR_1处理组;AR_~(2+)Ca~(2+)1处理组大豆根系质膜质子泵和钙泵活性仍低于CK,但显著高于AR_2处理组,ATP含量低于CK,NO3-、P、K、Mg和Zn的含量低于CK,但显著高于AR_2处理组。可见外施Ca~(2+)可以通过调控质膜质子泵活性加速ATP的水解调控大豆对NO3-、P、K、Mg和Zn的吸收,但Ca~(2+)的调控效果受酸雨强度限制,其中Ca~(2+)对质膜质子泵活性调控幅度:幼苗期鼓粒期结荚期。幼苗期、结荚期和鼓粒期大豆中Fe、Mn、Cu和Mo元素的变化规律不一致,这可能与不同生育期大豆植株生长节律以及抗酸能力差异有关。恢复5天后,AR_1处理组大豆根系质膜质子泵活性仍高于CK,AR_2处理组大豆根系质膜质子泵活性仍低于CK。AR_1+Ca~(2+)1处理组质膜质子泵活性与CK无差异,且NO3-、P、K、和Zn含量接近CK水平,可见外施Ca~(2+)对pH 4.5酸雨下大豆根系质膜质子泵活性的调控具有实效性,有利于大豆中NO3-、P、K和Zn含量的维持在正常水平;AR_~(2+)Ca~(2+)1处理组大豆根系质膜质子泵活性仍低于CK,但显著高于AR_2处理组,且高于胁迫期,NO3-、P、K、Na、Mg和Zn的含量显著高于AR_2处理组,可见外施Ca~(2+)有利于AR_~(2+)Ca~(2+)1处理组大豆根系质膜质子泵活性的恢复(向CK靠近),有利于NO3-、P、K、Na、Mg和Zn的吸收,从而有利于大豆的生长、叶绿素含量的恢复以及根系质膜稳定,但恢复程度受酸雨强度限制。(3)考察外施Ca~(2+)对酸雨胁迫下质子泵活性的调节机制研究表明:AR_1处理组大豆根系质膜质子泵基因(GmPHA1)相对表达量升高(幼苗期119%、结荚期186%、鼓粒期153%),而AR_2处理组GmPHA1的相对表达量下降(幼苗期81%、结荚期67%、鼓粒期71%);AR_1+Ca~(2+)1处理组GmPHA1相对表达量接近CK水平,有利于大豆根系质膜质子泵活性维持在正常水平;AR_~(2+)Ca~(2+)1处理组GmPHA1相对表达量相比AR_2处理组有所升高,升高幅度:幼苗期鼓粒期结荚期,与AR_~(2+)Ca~(2+)1处理组质膜质子泵活性变化规律一致。可见Ca~(2+)对GmPHA1基因转录水平的调控是Ca~(2+)调控酸雨胁迫下大豆质子泵活性的内在机制之一。恢复5天后,AR_1处理组大豆根系GmPHA1仍保持较高的转录水平,且大豆根系质膜质子泵活性仍高于CK;AR_2处理组GmPHA1基因转录水平高于CK,质膜质子泵活性仍低于CK,说明AR_2处理组GmPHA1在恢复期对大豆根系质膜质子泵活性的调控作用不明显,可能是因为质膜质子泵还受其他因素的影响;AR_1+Ca~(2+)1处理组GmPHA1相对表达量高于CK,但低于AR_1处理组(幼苗期125%、结荚期206%、鼓粒期123%),有利于该处理组大豆质子泵活性维持在正常水平;AR_~(2+)Ca~(2+)1处理组GmPHA1相对表达量相比AR_2处理组升高,且大豆根系质膜质子泵活性高于AR_2处理组,说明Ca~(2+)使GmPHA1转录水平上调从而使该处理组大豆根系质膜质子泵活性恢复程度增大。综上所述,外施适宜浓度的Ca~(2+)可以缓解酸雨对大豆生长的抑制、促进叶绿素合成和稳定根系质膜,同时调控大豆根系质膜质子泵、钙泵活性,使得酸雨胁迫下根系能维持正常的营养吸收功能,提高植物耐酸性,但缓解程度受酸雨强度限制,Ca~(2+)对幼苗期大豆的调控效果最佳。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S565.1;X517

【参考文献】