褪黑素在调控番茄耐热性中的作用及机制

发布时间：2017-12-12 15:38

  本文关键词：褪黑素在调控番茄耐热性中的作用及机制

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【摘要】：番茄(Solanum lycopersicum L.)是一种世界各地普遍栽培的重要蔬菜作物,其产量和品质常常受到低温、高温、干旱、盐害、重金属以及多种病虫害的影响。因此,研究番茄等蔬菜的逆境响应和调控机制,寻求调控蔬菜的抗性、产量及品质安全的新途径对于发展可持续蔬菜生产至关重要。褪黑素(melatonin,MT)是一种可在许多植物细胞内检测到的色胺类化合物,近年来越来越多的研究表明,MT的外源性应用可以增强植物对各种非生物和生物胁迫的抗性,但有关MT诱导植物高温抗性和生物胁迫抗性的研究还很少,其调控机制亟待深入研究,尤其是MT对植物耐热性的调控及其潜在的分子机制仍然鲜为人知。本文以番茄为材料,利用植物生理学、生物信息学、分子生物学、植物显微技术等手段从光合作用、抗氧化系统、蛋白保护系统等方面系统研究了 MT调控番茄耐热性的作用机制。所得主要结果如下:1.明确了 MT对PstDC3000、Botrytiscinerea、高温和镉(Cd)等生物和非生物胁迫下番茄幼苗抗性的影响和其适用浓度。我们发现各种胁迫显著抑制番茄幼苗的光合作用,叶片的净光合速率(Pn)和最大潜在光化学效率(Fv/Fm)显著降低。适宜浓度的MT对PstDC3000、高温和Cd胁迫引起的Fv/Fm的下降,对Botrytis cinerea、高温和Cd胁迫引起的Pn的下降具有明显缓解作用。10μM的MT预处理能增强番茄对Pst DC3000的抗病性,但是外源MT在调控番茄幼苗对Botrytiscinerea病菌胁迫抗性中的作用并不明显。2.发现MT增强番茄的高温抗性与其诱导高温下叶片自噬体的形成有关,明确了 MT对高温下番茄叶片细胞内蛋白的氧化和沉淀蛋白的聚集有显著的抑制作用,高温下MT诱导的Hsp70表达和自噬体形成增多、叶片光合作用的增强、抗氧化能力的提高在MT调控的番茄耐热性中都发挥了重要作用。适宜浓度的MT(10 μM)叶面喷施预处理显著减小高温下番茄叶片的细胞膜相对透性、减轻膜质过氧化程度,表明MT对高温下细胞膜具有保护作用;MT显著提高高温下番茄叶片Fv/Fm和Asat,有效改善高温导致的光合抑制;透射电镜检测证明MT减轻了高温引起的叶绿体膨大;MT显著增强SOD、APX等抗氧化酶活性和编码这些酶的Cu/Zn-SOD、cAPX基因的表达,增加细胞内抗氧化物质GSH和AsA含量,增大GSH/GSSG和AsA/DHA,维持番茄叶片细胞内较高的还原态水平,明显减少H2O2的积累,减少细胞内氧化蛋白和不溶性蛋白的积累;显著诱导Hsp70的表达;激光共聚焦荧光显微镜检测发现MT在高温下显著诱导自噬体增多,是对照的2.5倍;透射电镜检测发现MT在高温下更早地激活自噬体的自噬过程。3.根据拟南芥中已经报道的一个新的具有N-乙酰基五羟色胺甲基转移酶(ASMT)活性的基因,即咖啡酸O位甲基转移酶(COMT)(能够催化NAS转化成MT)基因的序列为基础,在番茄基因组上利用生物信息学方法对番茄ASMT基因家族进行鉴定与系统进化分析。结果表明,番茄基因组中至少含有24个ASMT基因成员,蛋白质序列长度为96～369个氨基酸之间,具有0～3个内含子;序列比对发现这些ASMT基因家族成员具有10个保守基序;染色体定位发现它们不均匀分布在番茄的8条染色体上;系统发育关系揭示番茄和水稻、拟南芥的ASMT基因家族成员可以分为8组,每组成员数目是变异的,并且存在3对单拷贝直系同源基因,表明这些基因的特征在番茄和水稻、拟南芥分化之前就已经存在。4.明确了番茄ASMT基因沉默显著抑制内源MT的合成,TRV-ASMT植株的耐热性显著降低,外源补充适宜浓度的MT能缓解热胁迫和恢复沉默植株的耐热性。研究发现番茄内源MT含量随环境温度的升高而增加,40°C的高温显著诱导MT的生物合成、上调MT合成关键酶基因的转录水平。利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术沉默ASMT基因之后,番茄内源MT含量显著下降,高温胁迫下沉默植株的叶片细胞膜相对透性和膜质过氧化程度增大,Fv/Fm和Asat显著减小,APX和CAT等抗氧化酶活性和相关基因的表达在高温胁迫后显著减小,GSSG和DHA含量增加,GSH/GSSG和AsA/DHA下降,导致番茄叶片细胞内氧化态水平升高。高温下ASMT基因沉默植株叶片可溶性蛋白的氧化程度加重,沉淀蛋白积累增多。进一步研究发现对番茄ASMT基因沉默植株预处理MT后,高温下沉默植株所丧失的高温胁迫抗性又很大程度上得以恢复。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S641.2

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本文编号：1283054