外源钙缓解低夜温导致番茄叶片光抑制的机理

发布时间：2017-12-10 10:29

  本文关键词：外源钙缓解低夜温导致番茄叶片光抑制的机理

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【摘要】：设施蔬菜作为满足我国北方地区冬春蔬菜供应、促进农民增收的重要产业而得到快速发展。然而,我国北方冬春季设施蔬菜生产中极易受低夜温影响而导致植株光合作用下降,产量与品质降低。因此,研究低夜温对设施蔬菜的影响,特别是对设施番茄光合作用的影响,进而研制出防控技术措施,以求通过低成本手段减轻低夜温对植株的伤害,达到高产优质栽培的目的,极为重要。本文以番茄品种“辽园多丽”为试材,研究了低夜温诱导番茄叶片光抑制的机理及其受外源钙离子调控缓解的作用机制。无论在科学还是实践上都有重要的意义,为化学调控植物代谢,缓解低夜温逆境障碍提供理论依据。主要研究结果如下：1.明确了外源钙离子预处理能够缓解低夜温引起的番茄叶片PSII的光抑制。研究结果显示,与对照(25/15℃)植株相比,低夜温(25/6℃)处理引起番茄叶片PSII光下最大光化学效率(Fv'/Fm')、PSⅡ光下实际光化学效率[Y(Ⅱ)]、PSⅡ的电子传递速率[ETR(Ⅱ)]显著下降,与此同时PSII非光化学效率[Y(NPQ)]及 PSⅡ光化学效率[Y(NO)]显著升高,而反映PSII开放程度的qP也显著下降,这说明低夜温胁迫引起了光化学效率的下降及PSII反应中心的关闭,导致了PSII的光抑制。低夜温处理引起PSII光抑制的程度随着光强的增加而加重。外源钙离子预处理则不同程度的减轻了上述参数的变化程度,从而缓解了PSII的光抑制；喷施钙离子螯合剂EGTA和CaM拮抗剂TFP后不同程度的加重了上述参数的变化,进一步加深了PSII的光抑制。低夜温处理后,虽也引起光下PSI实际光化学效率[Y(Ⅰ)]的下降,但并未引起光下PSI受体侧量子效率[Y(NA)]显著变化,与此同时光下PSI供体侧量子效率[Y(ND)]显著升高,这说明PSI并未受到光抑制。2.明确了外源钙离子预处理提高了低夜温下番茄叶片光保护机制。研究发现低夜温胁迫显著刺激了反映环式电子传递强度的Y(CEF)的增加,而外源钙离子预处理进一步促进了环式电子传递的运转,EGTA和TFP虽然减小了Y(CEF)的升高程度,但其Y(CEF)仍高于对照处理。低夜温处理后番茄叶片状态转换(qT)的强度下降了48.77%；与低夜温处理相比,外源钙则提高了31.95%,EGTA和TFP预处理则分别降低了53.63%和47.93%。此外,反映叶黄素循环运行状态的叶黄素循环脱环氧化程度(A+Z/A+Z+V)在低夜温处理后仅降低了2.32%；外源钙预处理则提高了低夜温下脱环氧化程度1.23%；EGTA和TFP处理则分别降低了其2.37%和0.89%。这些结果显示低夜温胁迫处理显著提高了番茄叶片的环式电子传递,明显抑制了状态转换,而对叶黄素循环影响较小。这说明环式电子传递是保护低夜温对PSII和PSI伤害的主要途径。同时,外源钙离子通过对环式电子传递、状态转换及叶黄素循环不同程度的促进来减轻低夜温诱导的光抑制。3.明确了外源钙离子预处理提高了低夜温下番茄叶片跨膜质子动力势。研究发现低夜温显著地增加番茄叶片的△pH,轻微地降低了△φ。外源钙预处理轻微地降低了低夜温下的ΔpH, EGTA及TFP预处理则略微增加了△pH,且外源钙预处理与EGTA预处理之间差异显著。同时对叶片P515信号的监测发现低夜温处理后,番茄叶片暗适应后P515信号的衰减快速下降；而叶片在预照光之后,P515信号的衰减则缓慢下降,说明类囊体膜和ATP酶的活性受到了低夜温胁迫的抑制。外源钙离子则减缓了暗适应番茄叶片P515信号的快速下降；加快了预照光叶片P515信号的下降。这说明外源钙离子可以通过调节ΔpH/Δφ从而提高了类囊体膜及ATP酶的活性。4.明确了外源钙离子预处理对番茄叶片保卫细胞、活性氧、及钙-钙调素的影响。采用荧光染料DFCH-DA和Fluo-3 AM分别对番茄叶片保卫细胞中的活性氧和钙离子进行了染色观察,结果发现,低夜温胁迫导致保卫细胞中活性氧大量积累,外源钙离子预处理则显著减弱了保卫细胞中活性氧的荧光强度,EGTA和TFP预处理显著增强了其荧光强度。同时,对保卫细胞观察测量发现低夜温诱导了气孔的关闭。这说明低夜温下保卫细胞活性氧的增加是导致气孔关闭的主要原因。与对照相比,低夜温处理后番茄叶片保卫细胞近气孔侧细胞壁的钙离子显著增加；喷施外源钙离子则进一步提高了保卫细胞中的钙离子含量,但同时钙离子向叶绿体积累；EGTA预处理则减弱了保卫细胞内钙离子荧光强度；TFP预处理增强了保卫细胞近气孔侧细胞壁的钙离子的积累。对叶片中不同钙离子形态的测定发现低夜温胁迫导致番茄叶片果胶酸钙、磷酸钙和碳酸钙、草酸钙的含量降低幅度较大,这说明低夜温处理降低了液泡内“钙库”的大小。外源钙离子处理分别将果胶酸钙、磷酸钙和碳酸钙、草酸钙和硅酸钙提高了10.41%、29.09%、16.20%和18.03%,说明其增大了“钙库”,并促进了钙的沉积。对钙受体蛋白CaM、CDPK、CBL基因表达的分析显示外源钙离子进一步促进低夜温下其表达的作用,其中效果最明显的是CaM。综上,说明外源钙离子通过调节钙离子的形态、分布以及Ca2+-CaM信号系统来调控气孔,乃至整个光合作用。5.明确了外源钙离子预处理对番茄叶片类囊体膜蛋白的影响。采用蓝绿温和电泳(BN-PAGE)和聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)对类囊体膜复合体及其亚基进行分离和鉴定,总共有50多个膜蛋白点通过肉眼可见。选取差异表达的16个蛋白点进行质谱分析,结果表明,低夜温胁迫引起幼苗类囊体膜上光能吸收、传递,电子的链上传递、PSⅡ和PSⅠ及ATP复合体等相关蛋白的表达差异。其中,低夜温胁迫下调,外源钙离子上调,而EGTA和TFP进一步下调的蛋白有D1、PsbP、CP43、Cytb6、Cytf、ATP合酶CF1上的α、β、γ、ε亚基；而低夜温上调,外源钙离子处理进一步上调的有LHCB1、 CP26、PSI反应中心的A1和A2蛋白。另外,还有一些参与叶绿体中DNA、蛋白质修饰的蛋白也不同程度地受到了影响。总之,低夜温胁迫下,外源钙离子能够不同程度地影响低夜温胁迫下类囊体膜蛋白转录和翻译水平上的表达。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S641.2

【参考文献】

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本文编号：1274174