酸枣适应干旱的生理特征和氧化还原特征物质研究

发布时间：2017-12-08 08:34

本文关键词：酸枣适应干旱的生理特征和氧化还原特征物质研究

【摘要】：陕北黄土高原是典型的干旱半干旱区,其严重的水土流失和生态退化制约了当地的经济发展。植被建设是该地区控制水土流失和促进生态恢复关键措施,而水分又是当地植被恢复的主要限制因子。乡土物种以自身较强的环境适应性在生态恢复中起着重要的作用。酸枣(Ziziphus jujuba Mill.var.spinosa(Bunge)Hu ex H.F.Chow)是黄土高原主要的乡土物种之一,广泛分布在黄土高原各个区域。种植酸枣既能满足黄土高原生态恢复和水土保持的要求,其巨大的药用价值又能兼顾经济发展的需要。因此,研究酸枣对干旱环境的响应机制和生理生态适应性,具有重要的理论和实践意义。本研究选取了分别生长在干旱半干旱气候区(陕北延安)和湿润半湿润气候区(杨凌)的酸枣作为研究对象。分别从叶片形态解剖、生长、光合、活性氧(ROS)代谢、抗氧化物质、以及氧化还原特征物质代谢调控等方面,研究了两种源酸枣对干旱胁迫的响应、调控和适应等过程的相同与差异。本研究对揭示酸枣适应干旱的生理生态学机制和策略具有重要的意义。主要结论如下:(1)比较种植在同一环境下的陕北源酸枣和杨凌源酸枣叶片形态、解剖学特征,结果表明,陕北源酸枣具有较小的单叶面积、较大的叶片厚度、较高的栅栏组织比例和较厚表皮角质层等与干旱适应性相关的特征;此外,陕北源酸枣还表现出典型的干旱区植物叶片所具有气孔密度和分化指数较大的特征。对两种源酸枣施加相同程度的干旱胁迫,结果表明,干旱对杨凌源酸枣的生长、生物量积累、叶片相对含水量,以及耗水量和水分利用效率的影响大于陕北源酸枣;而陕北源酸枣表现出较低的生长速率,但较高的水分利用效率。以上结果均表明长期生长在陕北黄土丘陵地区的酸枣对干旱环境具有较强的适应性。(2)陕北源酸枣具有较高的光饱和点(LSP)是对黄土高原高光辐射因子的适应。干旱条件下,陕北源酸枣的光合响应特征参数:表观量子效率(AQY)和光补偿点(LCP)未受显著影响,LSP和最大净光合速率(Pn max)下降幅度小于杨凌源酸枣,暗呼吸速率(Rd)则大幅下降;这些光合参数变化表明陕北源酸枣光合系统对干旱的适应性要强于杨凌源酸枣。在干旱胁迫过程中,两种源酸枣光合速率下降主要由于气孔限制引起,但在干旱后期非气孔限制因素增加。叶绿素荧光分析显示陕北源酸枣叶片在干旱下具有较高的非光化学淬灭系数(NPQ)值,表明陕北源酸枣光系统具有高效的自我保护机制来避免光系统损伤,从而表现出较高的光化学反应特征和水分利用效率。在单叶水平上,陕北源酸枣表现出低耗水、低光合、高水分利用效率,以及在光系统上表现出高效的干旱适应性,与干旱下的生长参数及结论一致。(3)干旱下陕北源酸枣叶片内ROS水平受影响程度小于杨凌源酸枣;停止浇水后,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)在两种源酸枣中均表现出的活性均增强,且种源之间无显著差异。陕北源酸枣在干旱下表现出较高过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性。干旱下除了类胡萝卜素(Car)含量外,抗坏血酸(ASC)(杨凌酸枣在第9 d)、谷胱甘肽(GSH)、总黄酮,以及脯氨酸等非酶抗氧化剂含量均在停止供水后12 d时含量达到最大;恒定干旱胁迫(维持土壤相对含水量在35%-40%)后,非酶抗氧化剂含量均恢复至对照水平。干旱下GSH、Car、黄酮类和脯氨酸等物质积累在陕北源酸枣中高于杨凌酸枣。以上结果显示相同干旱程度下陕北源酸枣表现出较强的抗氧化酶活水平和更多的抗氧化物质积累,对于维持低水平的ROS有重要作用,反映了酸枣对陕北干旱环境的适应机制。(4)随着干旱的持续,两种源酸枣ASC库逐渐消耗,在胁迫后期杨凌酸枣消耗显著大于陕北源酸枣;脱氢抗坏血酸(DHA)和总抗坏血酸含量变化暗示ASC处于降解和还原并存的动态平衡过程;ASC/DHA显示陕北源酸枣组织氧化还原响应早于杨凌源酸枣。GSH和氧化型谷胱甘肽(GSSG)变化表明胁迫初期陕北源酸枣细胞内处于还原状态,而杨凌源酸枣处于氧化状态;随着胁迫持续,GSH、GSSG和总谷胱甘肽含量变化表明陕北源酸枣维持GSH库能力强于杨凌酸枣;胁迫后期,细胞内总巯醇水平下降也表明细胞遭受氧化胁迫,且杨凌酸枣较陕北源酸枣严重。随着胁迫持续,辅酶I(II)(NAD(P)H)库先增加再消耗;胁迫末期,NAD(H)和陕北NADP(H)趋于恢复,而杨凌酸枣NADP(H)库变小,可能发生降解或库补充受抑制,与氧化胁迫严重程度相关。(5)根据酸枣近缘植物相关基因的保守序列设计简并引物,获得了参与ASC和GSH代谢的部分关键酶APX、MDHAR、DHAR、G R、GST、GPX、Gal LDH、?-GCS及定量PCR所需的内参GAPDH等基因片段。并在Gen Bank中注册,获得登陆号:GPX(KP663413)、GST(KP663414)、?-GCS(KP663415)、MDHAR(KP663416)、GAPDH(KP663417)、GR(KP663418)、APX(KP663419)、Gal LDH(KP663420)、DHAR(KP663421)。(6)干旱胁迫下,APX在陕北源酸枣中转录上调早于杨凌源酸枣,但杨凌源酸枣MDHAR和DHAR的转录响应早于陕北源酸枣;GR、GST、GPX、Gal LDH和?-GCS都受到胁迫的诱导,在第4 d后转录上调;整个处理过程中,杨凌酸枣的m RNA总体水平高于陕北源酸枣(APX除外)。干旱下,ASC和GSH代谢相关酶活结果多数与其基因m RNA水平变化不一致。其中,陕北源酸枣在胁迫下表现出相对较杨凌酸枣高的单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)和GR活性,表明干旱区酸枣利用ASC-GSH循环途径维持细胞氧化还原的特点。(7)干旱胁迫下,酸枣幼叶和根系ROS水平比成熟叶片变化剧烈,且根系ROS响应早于叶片;根系中SOD酶活和ASC-GSH循环途径上的酶活(APX、DHAR、MDHAR和GR)均高于叶片中的活性,这与根系低H2O2浓度密切相关;CAT和POD在成熟叶片中表现出高活性。胁迫48 h,所有组织中SOD、CAT、DHAR、MDHAR和GR的酶活性均加强。NAD(P)库对胁迫响应要早于ASC库,并早于GSH库。根系NAD(P)库对胁迫响应大于叶片,而叶片中ASC库响应大于根系。GSH库对胁迫的响应主要发生在叶片24 h后。综上所述,我们发现酸枣幼苗根系与叶片,生长旺盛部位与成熟部位对胁迫的响应存在差异。(8)通过外源添加还原型物质(ASC、GSH、二硫苏糖醇(DTT))或氧化型物质(DHA、GSSG),以及GSH合成抑制剂L-丁硫氨酸-亚砜亚胺(BSO)改变酸枣愈伤悬浮细胞培养体系里氧化还原环境,结果表明:氧化型物质(尤其GSH合成抑制剂BSO)处理对酸枣悬浮细胞的生长、代谢影响大于还原型物质处理。总游离氨基酸,包括在干旱下响应的脯氨酸、?-氨基丁酸,以及多胺等代谢物均在氧化型物质处理下得到积累;可溶性糖、糖醇、黄酮类物质儿茶素,以及萜类物质柠檬烯和合成途径上的3-羟基-3-甲基戊二酸均在不同的氧化型物质处理下得到不同程度的积累;总体表现出不同代谢物的积累对不同氧化型物质处理的响应存在差异。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S665.1;Q945.78

【参考文献】

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