不同耐寒性甘蔗品種對低溫的響應機制.pdf

1、甘蔗是主要的糖料作物,我國南方蔗區(qū)每年都因低溫危害造成不同程度的經(jīng)濟損失,研究低溫對甘蔗的傷害機理以及甘蔗抗寒的生理、細胞及分子機制,對于甘蔗抗寒栽培、育種等具有重要的理論和實踐意義。本研究從大田種植的35個甘蔗品種中后期生長經(jīng)自然低溫脅迫后篩選出4個最耐寒和4個最不耐寒的品種,進行組織細胞形態(tài)結構和生理生化研究,確定一些與抗寒性相關的細胞生物學指標和品種,并利用人工低溫脅迫,從組織細胞學、生理學和蛋白質組學等方面研究不同耐寒甘蔗品種響

2、應低溫的差異,旨在全面了解甘蔗耐低溫的機制,為甘蔗的抗寒育種和生產(chǎn)提供科學依據(jù)。結果如下:
　　 1.甘蔗品種的耐寒性差異及抗寒指標的篩選
　　 在廣西霜、雪、冰期最早、最長的縣份之一的資源縣種植35個甘蔗品種,持續(xù)降溫后發(fā)現(xiàn)不同甘蔗品種對低溫的反應各異,從中選出4個耐寒較強和4個耐寒性較弱的甘蔗品種詳細調查莖的水漬狀節(jié)間數(shù)、綠葉數(shù)、錘度、蔗糖分,莖尖褐變指數(shù),葉綠素含量等指標,發(fā)現(xiàn)大部分品種間各個指標均達差異顯著水平,

3、然后再用隸屬函數(shù)綜合分析法分析8個供試品種的耐寒性,按大小順序依次為:桂糖28號＞桂糖21號＞福農(nóng)15號＞贛蔗18號＞新臺糖22號＞臺糖98/0432＞園林8號＞園林6號,其中桂糖28號最耐寒,園林6號最不耐寒。
　　 利用離析法、切片法和掃描電鏡觀察法研究8個甘蔗品種成熟期葉片組織結構特點,結合相關函數(shù)分析法探討正常條件下甘蔗組織結構特征與耐寒性的關系。結果發(fā)現(xiàn);甘蔗葉片厚度、角質層厚度、泡狀細胞面積、硅細胞面積、硅細胞密度、

4、厚壁細胞面積、氣孔器長度均與甘蔗耐寒性呈顯著或極顯著正相關,而長細胞密度、長細胞面積、氣孔器寬度、氣孔器密度、氣孔器面積、氣孔寬/長均與甘蔗耐寒性呈顯著或極顯著負相關,說明以上指標可以作為甘蔗耐寒品種篩選的參考依據(jù)。
　　 自然降溫后,所有供試品種均表現(xiàn)葉片細胞損傷度上升,葉片厚度下降,角質層、葉綠體、氣孔器密度增加,開放氣孔器數(shù)、氣孔器面積、氣孔器寬度、氣孔器長度、氣孔器寬/長下降的趨勢,但耐寒甘蔗品種比不耐寒品種細胞損傷度程

5、度低,葉片厚度下降慢而少,角質層、葉綠體、氣孔器密度增加多,開放氣孔器數(shù)、氣孔面積、氣孔寬度、氣孔長度、氣孔寬/長下降少,從而表現(xiàn)出更強的忍受低溫脅迫的能力,說明甘蔗耐寒品種比不耐寒品種具有更強的適應低溫的細胞學基礎。利用以上指標作隸屬函數(shù)綜合評價8個供試品種的耐寒性,得出的結果與用常規(guī)形態(tài)生理指標評價的結果基本一致,說明細胞綜合性指標可以作為甘蔗耐寒品種的評價依據(jù)。
　　 2.甘蔗超微結構和微管骨架對低溫的響應
　　

6、低溫脅迫前,耐寒品種桂糖28號(GT28)和不耐寒品種園林6號(YL6)葉片和莖尖外形差異不明顯:但低溫脅迫后,園林6號無論是莖尖還是葉片均比桂糖28號受寒害癥狀嚴重。
　　 利用超薄切片結合電子顯微鏡觀察技術研究低溫脅迫(0d、2d、4d和6d)后桂糖28號和園林6號的超微結構的變化,結果表明:隨著低溫脅迫時間的延長,園林6號葉片中葉綠體膜破損,葉綠體上脂質粒和淀粉粒增多,葉綠體拉長、質壁分離、原生質體收縮,細胞死亡嚴重;莖尖

7、細胞質和線粒體空泡化、質壁分離、原生質體收縮,細胞死亡也很嚴重。而桂糖28號無論是葉片還是莖尖超微結構受低溫影響明顯低于園林6號,同時還發(fā)現(xiàn)桂糖28號液泡發(fā)生明顯內陷,線粒體數(shù)目增多,說明桂糖28號比園林6號具有更耐寒的細胞學基礎。根據(jù)本研究的結果,莖尖超微結構比葉片對低溫的反應更為敏感。
　　 利用免疫組織學技術研究低溫脅迫前后甘蔗葉片微管蛋白分布和莖尖周質微管列陣的變化,結果發(fā)現(xiàn):(1)低溫脅迫前,2個甘蔗品種葉片微管蛋白主

8、要分布在維管束鞘細胞、葉肉細胞和維管束內的厚壁細胞中,熒光強且清晰,品種間分布部位和強度差異不明顯;隨著低溫脅迫時間的延長,園林6號各組織細胞微管蛋白明顯下降,而桂糖28號與低溫脅迫前比變化不明顯。(2)低溫脅迫前,兩個甘蔗品種莖尖細胞微管列陣以橫向排列為主且整齊有序,但桂糖28號微管列陣較園林6號密集;低溫脅迫后園林6號微管嚴重解聚、凝縮,細胞界限模糊;而桂糖28號周質微管解聚的同時還有重新排序現(xiàn)象,形成橫向、縱向、斜向排列的更加致密

9、的網(wǎng)狀微管列陣,表明耐寒甘蔗品種桂糖28號微管骨架已形成對低溫適應的調節(jié)機制。
　　 3.甘蔗對低溫響應的生理生化基礎
　　 對甘蔗葉片與莖尖一些相關生理指標進行研究結果表明:低溫脅迫后,兩個甘蔗品種葉片的葉綠素含量、光合速率、Ca2+-ATP酶活性均有不同程度下降,最終使電導率,丙二醛、脯氨酸含量提高,這些變化可能是甘蔗對低溫適應的一種生理學機制;在低溫脅迫過程中,耐寒甘蔗品種桂糖28號比園林6號具較高的光合速率,葉綠

10、素、脯氨酸含量及Ca2+-ATP酶活性,這可能是桂糖28號具有更強的抵御低溫脅迫的生理生化基礎。葉片和莖尖的生理生化變化趨勢基本一致,但莖尖比葉片反應更為敏感。
　　 4.不同耐寒性甘蔗品種蛋白質組學水平對低溫響應的差異
　　 利用雙向電泳、質譜技術并結合免疫印跡和免疫組化等方法研究不同耐寒甘蔗品種莖尖蛋白質水平對低溫的響應機制,發(fā)現(xiàn)桂糖28號和園林6號在低溫脅迫(0d和4d)后進行雙向電泳,在每張圖片上大約檢測到100

11、0多個可溶性蛋白點,用PDQuest軟件進行蛋白質的找點、定量和匹配及統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)低溫脅迫4d后有12個蛋白在2個甘蔗品種中都呈現(xiàn)上調表達;13個蛋白質在2個甘蔗品種中都呈現(xiàn)下調表達;有9個蛋白在桂糖28號呈上調表達,而在園林6號呈下調表達;3個蛋白在桂糖28號呈下調表達,而在園林6號里上調表達;1個蛋白在桂糖28號不表達,但在園林6號呈上調表達;1個蛋白在桂糖28號下調表達,但在園林6號不表達;1個蛋白在桂糖28號上調表達,但在園林

12、6號不表達。以上40個蛋白豐度差異表達變化均在2倍以上。對這40個蛋白差異點進行質譜分析,有20個蛋白點得到了有效鑒定,這些蛋白在防御反應、代謝、細胞骨架、能量、信號傳導等方面發(fā)揮重要作用。應用免疫印跡和免疫組化對α-tublin差異蛋白進行蛋白表達情況驗證,結果與蛋白組學的研究結果相符,說明這些差異蛋白可能參與植物體內多個生理過程,它們共同作用,使耐寒型甘蔗在低溫條件下建立了新的平衡,這可能是桂糖28號耐低溫的蛋白質組學基礎。

13、　　 5.甘蔗對低溫響應的鈣信號系統(tǒng)差異
　　 利用植物組織化學結合電子顯微鏡觀察技術研究桂糖28號和園林6號莖尖低溫脅迫前后cE+和Ca2+-ATP酶的時空表達規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn):(1)低溫脅迫開始,2個甘蔗品種細胞質和細胞核Ca2+沉淀顆粒均增多,但隨著低溫脅迫時間的延長桂糖28號細胞質和細胞核Ca2+沉淀顆粒減少,并維持在一個低穩(wěn)態(tài)水平,而園林6號細胞質和細胞核一直維持在高Ca2+濃度水平;(2)低溫對桂糖28號Ca2+-A

14、TP酶活性與分布影響不大,其活性一直維持在較高水平,而園林6號質膜上的Ca2+-ATP酶隨著低溫脅迫時間的延長而變少。結果說明,低溫條件下細胞質Ca2+濃度增高是導致甘蔗莖尖細胞受傷害的重要原因,桂糖28號具有較高的Ca2+-ATP酶活性有助于避免Ca2+中毒,減少細胞受傷害。
　　 綜上所述,甘蔗的抗寒能力存在著品種間的差異,耐寒品種在冷信號傳導機制和防御應激蛋白的表達上明顯不同于不耐寒品種,由于蛋白的表達差異造成了微管蛋白時