過量積累甜菜堿改善小麥耐鹽性的生理機(jī)制研究.pdf

1、在鹽漬、干旱等脅迫環(huán)境中，植物細(xì)胞內(nèi)通常積累一些相容性物質(zhì)，從而減輕環(huán)境脅迫對植物造成的傷害，甜菜堿是主要的相容性物質(zhì)之一。甜菜堿醛脫氫酶(BADH)在植物體內(nèi)甜菜堿生物合成過程中處于關(guān)鍵地位，BADH基因工程是提高植物體內(nèi)甜菜堿含量的重要手段。本實驗以一個野生型小麥(Triticum aestivum L．)株系和三個轉(zhuǎn)菠菜BADH基因小麥株系為材料，200mmol/LNaCl溶液處理小麥幼苗(一葉一心期)2天和4天，模擬不同程度的鹽

2、脅迫條件，從水分狀況的維持、抗氧化活性的改善以及蛋白功能保護(hù)等方面，研究了過量積累甜菜堿對小麥光合作用及抗鹽性的改善機(jī)制。檢測指標(biāo)包括甜菜堿含量、相對含水量、滲透調(diào)節(jié)能力、有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和無機(jī)離子含量、抗氧化酶活性、光合熒光參數(shù)、葉綠素含量、希爾反應(yīng)活力、ATPase活性以及類囊體膜類脂組分等。主要結(jié)果如下： 1．過量積累甜菜堿通過改善滲透調(diào)節(jié)和離子平衡調(diào)節(jié)促進(jìn)了小麥從鹽迫環(huán)境中持續(xù)吸水，維持了相對較好的水分狀況。 (

3、1)外源BADH基因的導(dǎo)入明顯誘導(dǎo)了轉(zhuǎn)基因株系甜菜堿含量的增加。積累的甜菜堿除了本身是一種有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以外，還通過促進(jìn)其它有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，如脯氨酸和可溶性糖，維持了鹽脅迫條件下小麥葉片及根系較高水平的滲透調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)了吸水，從而維持轉(zhuǎn)基因小麥株系較好的水分狀況。 (2)鹽脅迫導(dǎo)致小麥體內(nèi)有毒害作用的Na<'+>和Cl<'->含量增加，破壞了體內(nèi)的離子平衡。過量積累甜菜堿緩解了Na<'+>和Cl<'->從根系到葉鞘

4、和葉片的運(yùn)輸，維持相對較高的K<'+>吸收、K<'+>/Na<'+>比值以及Ca'<'2+>’、Mg<'2+>含量的相對高水平，減輕了離子毒害作用，進(jìn)而提高了轉(zhuǎn)基因小麥株系的抗鹽性。 2．過量積累甜菜堿維持了主要抗氧化酶的高活性，有效保護(hù)了生物膜的完整性和有序性。 鹽脅迫破壞了生物膜的完整性和有序性，最終導(dǎo)致超氧陰離子產(chǎn)生速率增加，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量以及膜透性的增加。過量表達(dá)甜菜堿的轉(zhuǎn)基因植株主要抗氧化酶

5、(SOD、CAT、POD、APX)的活性相對較高，超氧陰離子產(chǎn)生速率、MDA含量以及電解質(zhì)外滲量較低，最終降低了膜脂過氧化水平和鹽脅迫對轉(zhuǎn)基因小麥株系生物膜的破壞作用。 3．過量積累甜菜堿通過保護(hù)類囊體膜上功能蛋白以及類脂組分和功能來維持相對高水平的光合作用能力。 (1)鹽脅迫導(dǎo)致小麥幼苗光合機(jī)構(gòu)損傷，表現(xiàn)在葉綠素含量、PS Ⅱ光化學(xué)效率、希爾反應(yīng)活力以及類囊體膜ATPase活性下降。相對于野生型小麥，過量積累甜菜堿的轉(zhuǎn)

6、基因植株碳同化速率、PSⅡ光化學(xué)效率以及氣孔導(dǎo)度的下降得以緩解；葉綠素含量降解、希爾反應(yīng)活力及類囊體膜ATPase活性的下降相對緩慢。 (2)鹽脅迫誘導(dǎo)形成的活性氧會進(jìn)攻生物膜類脂中不飽和脂肪酸，促發(fā)膜脂過氧化，引起生物膜脂分子結(jié)構(gòu)及組分的變化。過量積累甜菜堿的轉(zhuǎn)基因植株類囊體膜脂組分和脂肪酸不飽和度相對穩(wěn)定。這對于緩解色素降解、希爾反應(yīng)活力以及類囊體膜ATPase活性下降，緩解鹽脅迫對葉片光合機(jī)構(gòu)的破壞作用，維持鹽脅迫下小麥葉

7、片較高的光合作用能力有利。 綜合分析認(rèn)為，鹽脅迫條件下，過量表達(dá)菠菜BADH基因積累甜菜堿的轉(zhuǎn)基因小麥光合作用能力及耐鹽性的提高可能與以下幾個方面有關(guān)：(1)通過自身或者誘導(dǎo)其它滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)作用，改善細(xì)胞的水分狀況。這對于維持光合作用的氣孔因素和非氣孔因素都是有利的；(2)通過維持或提高抗氧化酶活性增強(qiáng)活性氧清除能力，減少活性氧的積累，減輕膜脂過氧化水平，維持光合膜的完整性和流動性；(3)甜菜堿直接或者間接地