γ-氨基丁酸（GABA）缓解水稻铵毒害现象及机理研究

发布时间：2020-10-09 04:13

　　 植物铵毒害现象由来已久,人类对N循环的干预使得铵态氮大量积累于淹水土壤中,直接影响水稻的生长发育,对水稻产量构成严重威胁。面临这样的高铵环境,寻求提高水稻对高铵抗性的方法,迫在眉睫。水稻虽属耐铵作物,但是过量铵也会使其受到毒害,幼苗对铵更加敏感。本文以水稻幼苗为材料,建立适宜的无菌培养模式进行研究,发现γ-氨基丁酸(GABA)可以缓解水稻幼苗铵毒害现象。GABA在植物中的作用广泛而重要,在很多植物逆境下具有重要的生理作用,但是对提高植物对铵抗性的研究尚属首次。本文主要利用生物量来衡量铵毒害和GABA缓解铵毒害的现象,结合非损伤微测技术,从环境分子生理角度,主要研究了水稻幼苗铵毒害现象的特征以及GABA缓解水稻幼苗铵毒害现象的机制。首先随着外源NH4+浓度的提高,水稻幼苗根系的生长受阻,表现为根系构型逐渐缩短皱缩,根系生物量显著降低;叶片逐渐出现黄斑坏疽,地上部生物量也逐渐降低;并且伴随K、Ca、Mg、Fe、Si、Zn等元素含量的显著降低;根际严重酸化;根系细胞膜完整性受到破坏。而GABA对水稻幼苗铵毒害的缓解也体现先在这些方面的改善:部分恢复高铵对水稻根系的抑制作用,提高植株生物量;并且提高Ca、Mg、Fe、Si、Zn等元素的含量;缓解根际酸化;保持了根系细胞膜的完整。对铵同化关键酶的研究显示:随着NH4+浓度的升高(0-23.04 mMNH4+),根部谷氨酰胺合成酶(GS)活性逐渐升高,谷氨酸合酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)的活性在5.76 mM时达到最高;茎叶部分GS活性2.88 mM时达到最大,GOGAT的活性则是5.76 mM达到最大,GDH活性随NH4+浓度增加逐渐升高。说明,水稻幼苗通过维持一定的铵同化水平将吸收的NH4+迅速同化,但随外源铵浓度的增加,铵同化能力没有相应增加到应有的水平,导致游离铵的积累,进而对幼苗叶片造成伤害。GS抑制剂硫代甲硫氨酸(MSO)减轻水稻幼苗根系受到的抑制,但是加剧了地上部的伤害,进一步外源使用谷氨酰胺(G1n),α-酮戊二酸(2-OG)处理水稻幼苗,暗示,高铵下水稻幼苗根系生长受阻的重要原因是碳骨架不足,高铵对水稻幼苗根系的抑制与其过高的铵同化水平有关。通过非损伤微测技术发现,GABA缓解水稻幼苗铵毒害与GABA促进高铵下根系NH4+的外排有关。GABA降低了水稻幼苗高铵下H+的外排,同时通过pH指示剂培养基染色的方法以及对培养机制pH的测定,从局部、整体、瞬时和积累的各个方面确定GABA缓解了高铵造成的水稻根际的酸化。对NH4+转运家族OSAMT1;2基因的表达进行测定,证明GABA抑制高铵下OSAMT1;2基因的表达,说明GABA也抑制NH4+的吸收。总之,高铵下,GABA通过促进NH4+的外排和抑制NH4+的吸收两方面降低植株对NH4+的净吸收量来缓解水稻幼苗铵毒害现象。GABA使2.88 mM NH4+下水稻幼苗根部GS/GOGAT,以及GDH的活性均有降低,结合之前对水稻幼苗铵同化关键酶活性在不同NH4+浓度条件下的变化规律,可能由于植株吸收的净NH4+量减少,使根部铵同化酶活性降低,降低的铵同化水平缓解了铵对水稻幼苗根系的抑制,增强幼苗对高铵的抗性。对相关酶基因表达检测显示,GABA降低了高铵下根部GS1.1、GS1.2以及NADH-GOGAT1.1的表达。而对于茎叶部分而言,GABA使2.88 mMNH4+下GS活性有所提高,降低GOGAT活性,对GDH活性影响不大。对基因水平的检测显示GABA促进GS1.1、GS1.2的表达,抑制了NADH-GOGAT1.1、NADH-GOGAT1.2的表达。因此GABA对酶活性的调节有部分贡献于转录水平。总之,GABA缓解水稻幼苗铵毒害的原因在于:GABA降低了水稻幼苗对NH4+的净吸收量,参与同化的NH4+的量也降低,进而减少对碳骨架的损耗,同时也降低了游离NH4+含量,减少游离NH4+对水稻产生的毒害。再者,GABA可能通过回补TCA循环,对水稻幼苗因大量铵的无效循环所耗费的能量提供能量补充。
【学位单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X171.5
【部分图文】：

图左（研究者右手所持幼苗）：１０ｍＭ铵处理，叶片黄化坏疸，植株整体生长受阻；图者左手所持幼苗＞邋Ｏ．ｌｍＭ铵处理。逡逑Ｆｉｇ邋１－１邋Ｓｙｍｐｔｏｍｓ邋ｏｆ邋ｂａｒｌｅｙ邋ｓｅｅｄｌｉｎｇｓ邋ａｍｍｏｎｉｕｍ邋ｔｏｘｉｃｉｔｙ逡逑Ｌｅｆｔ，邋ｈｅｌｄ邋ｉｎ邋ｒｅｓｅｒｃｈｅ＾ｓ邋ｒｉｇｈｔ邋ｈａｎｄ：邋ｃｕｌｔｕｒｅｄ邋ｗｉｔｈ邋ｌＯｍＭ邋ａｍｍｏｎｉｕｍ，邋ｎｏｔｅ邋ｔｈｅ邋ｌｅａｆ邋ｃｈｌｏｒｏｓｉｓ邋ａｅｒｅ邋ｇｒｏｗｔｈ邋ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ邋ｉｎ邋ｒｏｏｔｓ邋ａｎｄ邋ｓｈｏｏｔｓ；邋Ｒｉｇｈｔ，ｈｅｌｄ邋ｉｎ邋ｒｅｓｅｒｃｈｅｒ’ｓ邋ｌｅｆｔ邋ｈａｎｄ：邋ｃｕｌｔｕｒｅｄ邋ｗｉｔｈ邋Ｏ．ｌａｍｍｏｎｉｕｍ．逡逑植物铵毒害的可能机制逡逑酸化逡逑这取决于植物吸收铵的方式，有研究者认为Ｈ＋在跨膜运输前会脱掉一个氢离ＮＨ３的形式进入细胞，因此会造成细胞外Ｈ＋增加（Ｍｅｎｇｅｌ邋ａｎｄ邋Ｋｉｒｋｂｙ，１９８２）；者认为基于阴阳离子平衡学说，植物吸收大量ＮＨ４＋造成细胞内大量阳离子积将大量Ｈ＋排出细胞，来维持电荷平衡（Ｍａｒｓｅｈｎｅｒ邋ａｎｄ邋Ｒｏｍｈｅｌｄ邋，１９８３；邋Ｋｉｒｋｂｙｎｇｅｌ，１９６７；邋Ｒａｖｅｎ，１９８６）。因此不论怎样均会引起根际微环境酸化。植物细胞膜栗，又叫Ｈ＋－ＡＴＰａｓｅ（ＥＣ３．６．１．３５），通过水解ＡＴＰ产生能量，将细胞质中的Ｈ＋，从而在膜内外产生电化学势差，并建立细胞膜电位（Ｓｚｅ邋ａｎｄ邋Ｐａｌｍｇｒｅｎ，１９ｍｇｒｅｉｉ邋，２００１）。缪其松等证明：铵态氮营养下分泌Ｈ＋是由于细胞膜上Ｈ＋－ＡＴＰ

最近研究人员的实验证明拟南芥ＧＭＰａｓｅ缺失突变体对铵的超敏感可能并不是逡逑ＧＤＰ－甘露糖的缺乏导致的，因为同样导致ＧＤＰ－甘露糖的缺乏的突变体ｐｍｉ和ｐｍｍ逡逑（如图１－４所示）对铵并没有表现出超敏感。进一步的研究表明在ＮＨ４＋的存在下，逡逑ＧＭＰａｓｅ是以通过调控ｐＨ的方式来响应对按的反应的（Ｋｅｍｐｉｎｓｋｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１１）。逡逑Ｄ－Ｇｌｕｃｏｓｅ－６－Ｐ逡逑ＧＰＩ逦Ｄ－Ｆｒｕｃｔｏｓｅ－６－Ｐ逡逑ａｎｃｈｏｒｉｎｇ逦２邋＊邋ＰＭ／逡逑Ｐｒｏｔｅｉｎ＂逦Ｄ－Ｍａｎｎｏｓｅ－６－Ｐ逡逑ｇｉｙｃｏｓｙｌａｔｉｏｎ邋ｖ，逦３；邋ＰＭＭ逡逑Ｄ－Ｍａｎｎｏｓｅ－１－Ｐ逡逑ｐｏｌｙｓａｃｃｈａＨｄｅ逦４｜逦ＶＴＣ１ＩＣＹＴ１ＩＨＳＮ１逡逑ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ－逦ｘＧＤＰ－Ｄ－Ｍａｎｎｏ￥ｅ逡逑图１－４邋ＧＤＰ－Ｄ－甘露糠代谢途径及其作用，引自Ｋｅｍｐｉｎｓｋｉ等２０１１逡逑Ｆｉｇ邋１－４邋ＧＤＰ－Ｄ－邋ｍａｎｎｏｓｅ邋ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ邋ｐａｔｈｗａｙ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｅｆｆｅｃｔ逡逑１３逡逑

图１－６邋ＧＡＢＡ支路引自Ｆａｉｔ等２００６逡逑ＢＡ：邋丫－氨基丁酸；ＳＳＡ：琥珀酸半醛：Ｓｕｃｃ：琥珀酸；２－ＯＧ：邋ａ－酮戊三羧酸循环。逡逑Ｆｉｇｌ－６邋ＧＡＢＡ邋ｓｈｕｎｔ逡逑ａｍａｔｅ；邋ＧＡＢＡ：邋ｙ－邋ａｍｉｎｏｂｕｔｙｒｉｃ邋ａｃｉｄ；邋ＳＳＡ：邋Ｓｕｃｃｉｎｉｃ邋ａｃｉｄ邋ｓｅｍｉｎｉｃ邋ａｃｉｄ；邋２－ＯＧ：邋ａ－邋ｋｅｔｏｇｌｕｔａｒｉｃ邋ａｃｉｄ；邋ＴＣＡｃ：邋Ｔｒｉｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ邋ａ植物中的作用逡逑Ａ支路看ＧＡＢＡ的作用逡逑众多生理功能与ＧＡＢＡ支路在植物中的作用密不可分，因为路线，介绍ＧＡＢＡ的功能。逡逑征及调控作用逡逑受一定的刺激时，ＧＡＢＡ含量快速上升，得益于谷氨酸脱羧

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