結(jié)縷草溫度脅迫的生理響應(yīng)及其分子機(jī)制研究.pdf

1、溫度作為生物機(jī)能的一種動力，影響植物的蒸騰、水勢、吸收和新陳代謝，以及幾乎所有的酶促反應(yīng)、休眠和生長發(fā)育。草坪草的生長溫度域很窄，冷季型草坪草的適宜溫度為15～24℃，暖季型草坪草的適宜溫度為26～32℃，超過適宜溫度，草坪草的正常生長發(fā)育和健康就會受到影響。因此，草坪草抗寒耐熱性研究一直是熱點(diǎn)問題。國內(nèi)對草坪草抗性的研究多局限于生理生化方面的變化機(jī)制，對其分子機(jī)理研究甚少。本試驗(yàn)以暖季型草坪草為材料，系統(tǒng)研究草坪草對溫度脅迫的生理響應(yīng)

2、及其分子適應(yīng)機(jī)制。 以南方最廣泛種植的兩種暖季型草坪草--溝葉結(jié)縷草(Zoysiagrass matrella(L.) merr.)和日本結(jié)縷草(Zoysiagrass japonica Steud)為材料，測定其高低溫脅迫下主要抗性生理指標(biāo)的變化。結(jié)果表明：兩種結(jié)縷草在高溫和低溫脅迫下，葉片可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量都有不同程度增加，其中溝葉結(jié)縷草不管是高溫下還是低溫下其葉片可溶性糖和脯氨酸含量的增幅明

3、顯大于日本結(jié)縷草。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)是細(xì)胞膜的保護(hù)酶系統(tǒng)，具有清除活性氧物質(zhì)的功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫和高溫下，兩種結(jié)縷草葉片SOD、POD和CAT三種酶活性都有不同程度增強(qiáng)，其中溝葉結(jié)縷草在逆境溫度下其SOD與CAT活性增強(qiáng)均大于日本結(jié)縷草，日本結(jié)縷草則表現(xiàn)為逆境下POD活性增強(qiáng)大于溝葉結(jié)縷草。MDA是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一，它的積累是活性氧毒害的表現(xiàn)，本試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫下兩種結(jié)縷

4、草MDA含量增加不顯著，但在低溫下，其含量都極顯著增加，其中日本結(jié)縷草MDA含量的增加幅度大于溝葉結(jié)縷草。光合色素的含量不僅影響草坪草的色澤，而且影響其光合作用。在本試驗(yàn)中，高低溫脅迫下兩種結(jié)縷草葉片的葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、類胡蘿卜素(Car)含量以及Chla/Chlb的比值均不同程度下降，尤其是日本結(jié)縷草。植物激素在植物生長過程中起重要作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種結(jié)縷草在高低溫脅迫下葉片抑制類激素ABA含量都增加，

5、40℃高溫脅迫下兩種草坪草ABA含量增幅均大于0℃或10℃低溫脅迫，同樣高溫或低溫脅迫下溝葉結(jié)縷草的ABA含量增幅又大于日本結(jié)縷草；高溫脅迫下，兩種結(jié)縷草葉片促進(jìn)類激素都相對保持較高含量，在低溫脅迫時(shí)促進(jìn)類激素含量則有較大幅度降低。從各內(nèi)源激素間的平衡來看，在高低溫脅迫下，兩種結(jié)縷草葉片內(nèi)抑制類激素與促進(jìn)類激素總量的比值升高。 綜合各抗性生理指標(biāo)值的變化，我們認(rèn)為兩種結(jié)縷草抗高溫性能優(yōu)于抗低溫；同樣的溫度脅迫下，溝葉結(jié)縷草的抗逆

6、性又強(qiáng)于日本結(jié)縷草。 在前期溫度脅迫的抗性生理指標(biāo)測定與分析的基礎(chǔ)上，選擇抗性表現(xiàn)更佳的溝葉結(jié)縷草為材料，利用雙向電泳技術(shù)(two-dimensional electrophoresis，2-DE)、質(zhì)譜技術(shù)(mass spectrometry，MS)并結(jié)合生物信息學(xué)的方法，分別對其在低溫脅迫和高溫脅迫條件下的差異蛋白質(zhì)組學(xué)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高低溫下共有35個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)在不同處理間存在顯著的差異表達(dá)模式。35個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)通過Q-T

7、OF MS分析后有26個(gè)蛋白獲得了有效的肽指紋圖譜和功能預(yù)測。根據(jù)其功能，將它們歸納為五個(gè)類群，即：信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白、代謝相關(guān)蛋白、防衛(wèi)相關(guān)蛋白、蛋白質(zhì)合成與降解相關(guān)蛋白、細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)能力和胚胎發(fā)育相關(guān)蛋白。其中，在低溫脅迫下，質(zhì)譜分析共鑒定出20個(gè)蛋白點(diǎn)，有4個(gè)點(diǎn)是同一個(gè)蛋白(Rubisco大亞基)，這些差異表達(dá)的蛋白質(zhì)一方面加強(qiáng)了胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、活性氧的清除、蛋白質(zhì)防御以提高溝葉結(jié)縷草的抗逆性，另一方面由于一些蛋白質(zhì)豐度的下調(diào)表達(dá)使得低溫

8、下植物體呼吸作用表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱、光合作用下降、蛋白質(zhì)降解、細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)能力減弱，不利植物的生長發(fā)育；在高溫脅迫下，質(zhì)譜分析共鑒定出19個(gè)蛋白點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)是同一個(gè)蛋白(Rubisco大亞基)，這些蛋白質(zhì)主要加強(qiáng)了信號識別、跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、光合作用、呼吸作用、次生代謝作用、活性氧的清除、蛋白質(zhì)防御及蛋白質(zhì)的合成等方面，極大地提高了溝葉結(jié)縷草的高溫抗逆性。此外，在本試驗(yàn)高低溫處理中，均鑒定出ZLL/PNH同源蛋白相對豐度的下調(diào)表達(dá)，且均隨著時(shí)間

9、的延長，下調(diào)幅度增大，由此說明，不管是在高溫脅迫下還是在低溫脅迫下均不利溝葉結(jié)縷草主莖分生組織的發(fā)育，不利于維持主莖的正常生理機(jī)能。 進(jìn)一步運(yùn)用抑制消減雜交(SSH)方法構(gòu)建溝葉結(jié)縷草對高溫(40℃)處理響應(yīng)的正向差減文庫，通過reverse northern雜交方法篩選文庫，挑選出高溫脅迫處理下35個(gè)差異表達(dá)基因，對這些基因進(jìn)行測序，將測序獲得的35條原始序列去除由SSH引入的接頭引物序列后與基因組數(shù)據(jù)庫(NCBI)進(jìn)行比對，

10、獲得26個(gè)基因功能已知的差異表達(dá)的基因。這些已知基因分別參與植物代謝、基因表達(dá)調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、植物抗逆性反應(yīng)以及蛋白質(zhì)的合成等過程。試驗(yàn)中鑒定出與代謝有關(guān)的NADP-蘋果酸酶、與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的核糖體蛋白以及具有清除活性氧功能的過氧化氫酶等基因的加強(qiáng)表達(dá)，這一結(jié)果與高溫脅迫下溝葉結(jié)縷草的差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究的結(jié)果相一致，進(jìn)一步證明了高溫脅迫下溝葉結(jié)縷草通過加強(qiáng)代謝作用，增強(qiáng)蛋白質(zhì)的合成作用以及提高活性氧的清除能力來提高其高溫抗逆性。文中還