印度南瓜、中國南瓜及其種間重組自交系耐熱機制研究.pdf

1、植物在生長發(fā)育過程中常常會遭受到各種非生物脅迫。高溫脅迫是影響作物生長發(fā)育與產(chǎn)量的重要因子之一，闡明植物耐高溫脅迫的機制對應對全球氣候變暖的有重要意義。南瓜屬于葫蘆科作物，因其富含營養(yǎng)成分被列為十大蔬菜作物之一。中國南瓜(Cucurbita moschata)具較好高溫適應性，廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū);印度南瓜(Cucurbita maxima)，耐熱性較差，主要種植于溫帶地區(qū)。課題組前期獲得了中國南瓜和印度南瓜的種間重組系（Maxc

2、hata）。本研究以C.moschata、C.maxima和Maxchata為材料研究其高溫脅迫抗性的機理。
　　光合作用是檢測植物耐受高溫脅迫能力的重要指標之一。本研究中，通過對C.moschata、C.maxima和Maxchata在高溫脅迫脅迫下光合特性的比較，發(fā)現(xiàn)3個基因型南瓜高溫脅迫下光合特性存在較為明顯差異，與氣體交換相關(guān)的光合速率(PN)、氣孔導度（gs）、蒸騰速率(E)和PSⅡ最大光合效率（Fv/Fm）均隨著溫度升

3、高顯著下降，細胞間CO2濃度的升高表明這種變化為非氣孔限制的效應，此外，隨著溫度的升高葉綠素也發(fā)生降解，主要表現(xiàn)為葉綠素a/b的比例升高和葉綠素/類胡蘿卜素比例下降，C.maxima中最為明顯，其次為Maxchata和C.moschata。高溫脅迫脅迫下C.moschata的光合特性最為穩(wěn)定，其次為Maxchata，而C.maxima最為敏感。
　　高溫脅迫能夠引起細胞氧化還原失衡進而導致細胞傷害，活性氧(ROS)在這些傷害中起著

4、關(guān)鍵作用。植物體內(nèi)存在兩種ROS調(diào)控方式:ROS清除機制和避免產(chǎn)生機制。我們首先克隆編碼不同抗氧化系統(tǒng)和交替氧化酶的基因，抗氧化系統(tǒng)主要包括CAT(CAT1，CAT2，andCAT3)、SOD(Cu/ZnSOD，F(xiàn)eSOD，and MnSOD)、APX(APX1 and APX2)等基因，交替氧化酶基因家族成員主要包括CmA OX2a,CmAOX2b，CmAOX2c、CmAOX2d和mAOX2e。此外，還有Chaperon60（‘CmC

5、HN60’）和細胞色素氧化酶（‘CmCOX2’），序列分析表明這些序列與其它物種同源基因有著極高的同源性和相似的功能位點。
　　高溫脅迫后，CAT(CAT1，CAT2，and CAT3)、SOD(Cu/ZnSOD，F(xiàn)eSOD，and MnSOD)和APX(APX1 and APX2)基因的表達均隨著溫度升高呈現(xiàn)出不同程度的上調(diào)，說明這些基因在耐熱脅迫中起著不同程度的調(diào)節(jié)功能，但是隨著溫度的升高大多數(shù)基因的表達Maxchata高于C

6、.maxina。抗氧化酶的活性方面，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(POD)的活性均為在C.moschata中最高，其次為Maxchata，在C.maxima中最低。同時，我們從表型、生化和轉(zhuǎn)錄等方面研究了Maxchata和其兩個親本在中度高溫脅迫(37℃)和重度高溫脅迫(42℃)處理后的變化，結(jié)果表明:高溫脅迫脅迫在C.moschata和Maxchata中引起了相對較輕

7、的膜傷害、較低丙二醛含量和電子泄漏以及較高的脯氨酸含量。電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)高溫脅迫脅迫在亞細胞結(jié)構(gòu)上引起的傷害C.maxima比C.moschata和Maxchata明顯嚴重。高溫脅迫引起的抗氧化系統(tǒng)相關(guān)基因的表達在一定程度上提高了Maxchata的高溫脅迫抗性。同時，我們檢測了根和莖中的抗氧化系統(tǒng)的變化情況，C.moschata表現(xiàn)出相對較輕的過氧化傷害，主要表現(xiàn)為相對較低的過氧化氫(H2O2)、超氧陰離子(O2-)和丙二醛(MDA

8、)含量，Maxchata次之。在抗性基因型南瓜中SOD、APX、CAT和POD酶的活性均隨著高溫脅迫脅迫升高。FeSOD、MnSOD、APX2、CAT1和CAT3基因的明顯誘導表達表明其參與了高溫脅迫抗性。SOD、APX和CAT的各亞型在根和莖中的不同表達也說明這些基因的組織表達特性。
　　本文還研究了南瓜交替呼吸途徑在高溫脅迫脅迫下ROS含量調(diào)控中的作用，結(jié)果表明:在37℃或42℃處理后總呼吸、細胞色素呼吸和交替氧化呼吸在C.m

9、oschata和Maxchata中均有所升高，而在42℃處理后的C.maxima中降低。此外，與ddH2O處理相比2mM SHAM處理后ROS含量增加。分別檢測ddH2O和2mM SHAM預處理后高溫脅迫脅迫下南瓜APX1、APX2、CAT1、CAT2、CAT3、Cu/ZnSOD、FeSOD和MnSOD基因表達發(fā)現(xiàn)SHAM預處理后的C.moschata中CAT1和FeSOD下調(diào)表達，而且CAT2和MnSOD基因的表達水平在SHAM預處理

10、后的C.moschata和Maxchata中較低。上述結(jié)果表明交替氧化酶和抗氧化系統(tǒng)存在一定的聯(lián)系。
　　同時，本文還研究了高溫脅迫脅迫處理后南瓜中5個不同AOX2基因的誘導表達情況，研究發(fā)現(xiàn)在正常條件下5個不同AOX2基因在幼葉和成熟葉片中存在不同表達水平和組織表達特異性。CmAOX2a和CmAOX2d受高溫脅迫脅迫強誘導表達。研究結(jié)果表明交替氧化途徑可能也參與了南瓜高溫脅迫脅迫抗性。
　　本研究為闡明植物抗氧化系統(tǒng)中關(guān)鍵