外源亞精胺提高黃瓜幼苗低氧脅迫耐性的生理調(diào)節(jié)功能.pdf

1、無土栽培中水培營養(yǎng)液供氧不足或基質(zhì)培根墊的形成均會造成低氧逆境，影響植株正常生長發(fā)育，成為困擾無土栽培技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)的限制性因子。因此，提高植株在低氧脅迫下的耐性和抗性對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。多胺(Polyamines,PAs)是生物代謝過程中產(chǎn)生的一類具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿，主要包括腐胺(Put)、亞精胺(Spd)和精胺(Spm)。研究表明，多胺廣泛作用于植物生長、形態(tài)建成、衰老和對環(huán)境脅迫的反應(yīng)，然而，關(guān)于多胺種

2、類和形態(tài)變化與植物低氧脅迫耐性的關(guān)系以及多胺的生理調(diào)節(jié)功能尚不清楚。本文以耐低氧能力較弱的‘中農(nóng)八號’黃瓜（Cucumis sativusL.）品種為試材，采用營養(yǎng)液栽培的方法，通過營養(yǎng)液中添加外源多胺和多胺代謝抑制劑，研究了低氧脅迫下黃瓜幼苗體內(nèi)多胺種類和形態(tài)的變化與碳代謝、光合作用之間的關(guān)系，探討了多胺在黃瓜植株適應(yīng)低氧脅迫中的生理調(diào)節(jié)功能。主要研究結(jié)果如下：
　　 低氧脅迫下，營養(yǎng)液中添加適宜濃度的Put、Spd和Spm均

3、可緩解低氧脅迫對黃瓜幼苗生長的抑制作用，其中以0.05mmol.L-1Spd的緩解效果最佳。
　　 低氧脅迫下，黃瓜幼苗根系和葉片中游離態(tài)、結(jié)合態(tài)、束縛態(tài)Put、Spd和Spm含量均顯著提高；營養(yǎng)液中添加外源Spd后進一步提高了低氧脅迫下黃瓜幼苗根系和葉片中游離態(tài)Spd、Spm含量，卻顯著降低了游離態(tài)Put含量；同時進一步提高了結(jié)合態(tài)、束縛態(tài)多胺含量，尤其是束縛態(tài)多胺含量，并且促進了黃瓜幼苗生長。Put合成抑制劑D-精氨酸（D-

4、Arg），不僅顯著降低了黃瓜幼苗體內(nèi)游離態(tài)Put、Spd和Spm的含量，而且降低了抗氧化酶活性，導(dǎo)致植株體內(nèi)活性氧(ROS)大量積累，加重了低氧脅迫的傷害。Put轉(zhuǎn)化抑制劑甲基乙二醛雙（脒基腙）(MGBG)和降解抑制劑氨基胍(AG)混合施用造成游離態(tài)Put和ROS的大量積累，并且Spd、Spm含量和抗氧化酶活性均顯著降低，進一步加重了低氧脅迫對植株的傷害。低氧脅迫下，游離態(tài)多胺向束縛態(tài)多胺轉(zhuǎn)化的抑制劑鄰菲咯啉(o-phen)處理后，顯著

5、降低了幼苗體內(nèi)束縛態(tài)多胺含量，并加重了低氧脅迫對幼苗生長的抑制作用。這些結(jié)果表明，黃瓜幼苗體內(nèi)多胺的種類和形態(tài)與低氧脅迫耐性密切相關(guān)：從多胺的種類來看，根系和葉片中游離態(tài)Put迅速向游離態(tài)Spd和Spm轉(zhuǎn)化，有利于提高黃瓜幼苗的低氧脅迫耐性；從多胺的形態(tài)來看，游離態(tài)Put迅速向結(jié)合態(tài)和束縛態(tài)多胺轉(zhuǎn)化，尤其是向束縛態(tài)多胺的轉(zhuǎn)化，有利于增強黃瓜幼苗的低氧逆境適應(yīng)能力。
　　 低氧脅迫下，黃瓜植株的凈光合速率(Pn)顯著降低，并且飽和

6、光強下的Pn、表觀量子效率(AQY)和PSⅡ的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）均顯著下降，天線耗散能量(D)的比率、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)和光抑制程度(1-qP/qN)顯著升高，說明低氧脅迫下黃瓜植株受到了光合作用的光抑制。低氧脅迫下，NPQ與葉黃素脫環(huán)氧化狀態(tài)(DEPS)變化趨勢相一致，且兩者均被抗壞血酸(AsA)所促進，被二硫蘇糖醇(DTT)所抑制，說明黃瓜植株通過葉黃素循環(huán)耗散過量光能，以適應(yīng)低氧脅迫。外源Spd降低了低氧脅迫下黃

7、瓜植株的1-qP/qN，同時也降低了NPQ和DEPS，說明Spd并不是通過增強葉黃素循環(huán)來耗散過剩光能從而緩解光抑制。低氧脅迫下，外源Spd提高了植株的Pn、Fv/Fm和實際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)以及光化學(xué)反應(yīng)的能量部分(P)，降低了天線耗散的能量部分(D)和PSⅡ反應(yīng)中心過剩的光能(Ex)。說明，低氧脅迫下，外源Spd通過增強光能利用效率來緩解黃瓜植株的光抑制，從而保持較高的PSⅡ光化學(xué)效率，防御光破壞。
　　 低氧脅迫下，黃

8、瓜葉片中淀粉和葡萄糖含量顯著升高，而根系中淀粉和葡萄糖含量顯著降低，表明可溶性糖從葉片向根系的轉(zhuǎn)運受到抑制，根系通過消耗自身儲存的淀粉和葡萄糖來維持生理代謝，以增強低氧適應(yīng)性。另外，黃瓜根系三羧酸循環(huán)過程中的關(guān)鍵酶琥珀酸脫氫酶(SDH)和異檸檬酸脫氫酶(IDH)活性顯著降低，三羧酸循環(huán)(TCA)嚴重受阻，ATP含量顯著降低；同時，黃瓜根系無氧呼吸代謝能力增強，乳酸脫氫酶(LDH)、丙酮酸脫羧酶(PDC)、乙醇脫氫酶(ADH)和丙氨酸氨基

9、轉(zhuǎn)移酶（AlaAT）活性顯著升高，造成有毒產(chǎn)物乳酸和乙醛大量積累，因此抑制了黃瓜幼苗的生長。外源Spd通過調(diào)節(jié)低氧脅迫下黃瓜幼苗體內(nèi)多胺種類與形態(tài)的變化，提高了根系中糖含量以及糖酵解代謝酶和SDH、IDH活性，有利于維持較長時間的糖酵解，促進TCA循環(huán)，刺激ATP的合成，同時抑制無氧呼吸代謝和乳酸、乙醛積累，從而提高黃瓜幼苗的低氧脅迫耐性。
　　 黃瓜幼苗根系細胞器上束縛態(tài)多胺含量變化與植株低氧脅迫耐性密切相關(guān)：低氧脅迫下，黃瓜

10、根系線粒體膜上束縛態(tài)多胺含量顯著增加，添加外源Spd后進一步提高了線粒體膜上束縛態(tài)多胺含量，同時提高了線粒體膜上H+-ATPase、H+-PPase、Ca2+-ATPase和Mg2+-ATPase活性，降低呼吸4態(tài)無效耗氧，提高呼吸3態(tài)、呼吸控制率和氧化磷酸化效率。表明，低氧脅迫下，外源多胺通過促進黃瓜根系游離態(tài)多胺以自身的多聚陽離子特性與線粒體膜上帶負電荷的磷脂、膜蛋白結(jié)合后，有助于穩(wěn)定線粒體膜、調(diào)節(jié)膜蛋白的構(gòu)象，提高線粒體膜上ATP

11、ase活性，增強線粒體的呼吸功能，促進線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化偶聯(lián)作用，從而部分恢復(fù)有氧呼吸，提高根系呼吸速率，增強黃瓜植株對低氧脅迫的耐性。
　　 低氧脅迫下，黃瓜根系質(zhì)膜束縛態(tài)多胺含量顯著增加，而液泡膜束縛態(tài)多胺含量顯著降低，添加外源Spd后顯著提高了質(zhì)膜和液泡膜束縛態(tài)多胺含量以及質(zhì)膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase和H+-PPase活性。表明，低氧脅迫下，外源多胺通過促進黃瓜根系游離態(tài)多胺與根系質(zhì)膜H+-A