水稻葉片早衰突變體的糖代謝基因表達(dá)與抗氧化生理調(diào)控.pdf

1、在水稻栽培實(shí)踐中，功能葉片早衰對(duì)水稻生育后期的籽粒灌漿和產(chǎn)量性狀形成具有顯著影響，嚴(yán)重制約水稻產(chǎn)量潛力的發(fā)揮、甚至造成大幅度減產(chǎn)，對(duì)水稻葉片早衰現(xiàn)象，尤其是灌漿期功能葉片早衰形成的生理特性等問題的研究，對(duì)于通過品種選育和栽培管理等途徑提高我國水稻產(chǎn)量和改善高產(chǎn)品種的穩(wěn)產(chǎn)性均具有重要的理論和實(shí)踐意義。為此，本文以輻射誘變的葉片早衰突變體(earlysenescence leaf, esl)及其野生型水稻為試驗(yàn)材料，從光合生理、糖代謝和抗氧

2、化調(diào)節(jié)三個(gè)方面，對(duì)葉片衰老與PSⅡ反應(yīng)中心有關(guān)基因表達(dá)間的相互關(guān)系，葉片衰老過程的糖信號(hào)與糖轉(zhuǎn)運(yùn)特征，以及H2O2對(duì)葉片衰老的調(diào)控及其代謝生理機(jī)制進(jìn)行了探討分析。主要研究結(jié)果如下:
　　1.葉綠體降解、光合速率下降和葉綠素a/b值降低是水稻葉片衰老的重要生理特點(diǎn)。與野生型對(duì)照相比，葉片早衰突變體esl旗葉中的最大熒光Fm、可變熒光Fv和最大光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm顯著降低，初始熒光Fo和熱耗散量值（D=1-Fv/Fm）顯著增加，C

3、ab基因和PSⅡ反應(yīng)中心蛋白基因(PsbA、PsbB、PsbC和PsbD)的表達(dá)量顯著下降，表明esl突變體水稻葉片衰老與PSⅡ反應(yīng)中心的活性受損、光合原初反應(yīng)受到抑制有關(guān)，導(dǎo)致其光能不能有效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，能量的熱耗散增加，進(jìn)而引起其光能利用率顯著降低，早衰突變體在籽粒灌漿過程中的光合速率下降。
　　2.通過對(duì)早衰突變體esl與其野生型籽粒灌漿過程中的旗葉糖類含量差異、糖信號(hào)與糖轉(zhuǎn)運(yùn)類的基因表達(dá)及其動(dòng)態(tài)變化的檢測(cè)分析表明，esl

4、突變體旗葉中的己糖含量在葉片衰老的起始階段已顯著高于其野生型，可能作為信號(hào)分子感知葉片的衰老信號(hào)，之后可溶性總糖、蔗糖和己糖含量也有所降低，并引起葉片形成糖饑餓現(xiàn)象，從而加快了葉片的衰老，利用離體水稻葉片的外源糖處理進(jìn)一步證實(shí)，外源糖的添加處理會(huì)延緩葉片衰老進(jìn)程，而糖饑餓則會(huì)加快葉片衰老。其中，Hxk1和Hxk2負(fù)責(zé)感知葉片衰老過程中的己糖信號(hào)，共同參與葉片衰老進(jìn)程的調(diào)控;SuSy1、SuSy2、SuSy4、CIN1和CIN4是蔗糖裂解

5、代謝環(huán)節(jié)中參與水稻葉片衰老代謝過程和感知胞內(nèi)蔗糖信號(hào)變化的5個(gè)重要功能型基因。與野生型對(duì)照相比，早衰突變體esl旗葉中的SuSy1、SuSy2、SuSy4表達(dá)量在葉片衰老的起始階段相對(duì)較高，但此后則迅速下降，顯著低于其相應(yīng)時(shí)期的野生型，且離體葉片的糖培養(yǎng)試驗(yàn)表明，這5個(gè)同工型基因的表達(dá)對(duì)糖水平變化較為敏感，感知胞內(nèi)的蔗糖信號(hào)，并受糖水平調(diào)控;此外，由SUT催化的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)代謝與葉片衰老過程也存在密切關(guān)系，早衰突變體esl旗葉中的SUT1表

6、達(dá)量在葉片衰老的前期較高，有利于蔗糖在葉片衰老前的較快速輸出。與此同時(shí)，由于esl突變體葉片的光合同化能力下降、cyFBP和SPS1、SPS2、SPS6、SPS8的表達(dá)量降低，引起早衰葉片中的蔗糖合成也有所減少，但由于參與淀粉合成代謝的AGP同工基因的表達(dá)也同時(shí)受到抑制，而調(diào)控淀粉降解代謝途徑的關(guān)鍵基因Amy2A和Amy4的表達(dá)量增加，從而會(huì)導(dǎo)致早衰突變體衰老葉片中的淀粉含量顯著降低。
　　3.AsA-GSH循環(huán)調(diào)控不同亞細(xì)胞部位

7、的H2O2水平，與植物的抗逆和衰老等代謝過程有著較密切聯(lián)系。與野生型對(duì)照相比，早衰突變體esl旗葉中的H2O2含量在水稻灌漿開始時(shí)較高，之后有所下降，在灌漿中后期又有較明顯“回升”，MDA含量在esl旗葉衰老過程中持續(xù)增加，與其野生型間的差異幅度也逐漸增大;對(duì)早衰突變體esl旗葉衰老過程中的APX和GR活性測(cè)定結(jié)果表明，早衰突變體esl旗葉中的APX和GR活性在水稻籽粒灌漿初期要高于其野生型，這可能與早衰突變體esl旗葉在該時(shí)期相對(duì)較高

8、的H2O2水平有關(guān)，之后esl旗葉中APX酶活性也顯著降低。通過對(duì)早衰突變體esl與野生型旗葉衰老過程中的OsAPXs基因表達(dá)動(dòng)態(tài)的差異比較得知，細(xì)胞質(zhì)型OsAPXs（OsAPX1、OsAPX2）和葉綠體型OsAPX7在早衰突變體esl旗葉衰老的起始階段呈上調(diào)表達(dá)，而過氧化物體型OsAPX4和類囊體膜結(jié)合型OsAPX8則呈下調(diào)表達(dá)。利用離體水稻葉片的外源H2O2處理試驗(yàn)結(jié)果揭示，OsAPX1和OsAPX2受H2O2上調(diào)表達(dá)，OsAPX4

9、和OsAPX8被H2O2下調(diào)表達(dá)，而OsAPX6對(duì)外源H2O2不敏感，OsAPX7的表達(dá)則隨H2O2濃度而變化。由于過氧化物體和類囊體膜是植物細(xì)胞生成H2O2的兩個(gè)主要亞細(xì)胞部位，因而OsAPX4和OsAPX8在早衰突變體esl旗葉衰老啟始階段的下調(diào)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過氧化物體和類囊體膜產(chǎn)生的H2O2增多，而多余的H2O2可能會(huì)向細(xì)胞質(zhì)和葉綠體基質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散，誘導(dǎo)OsAPX1、OsAPX2和OsAPX7分別在細(xì)胞質(zhì)和葉綠體內(nèi)表達(dá)，從而引起APX酶

10、活性升高。
　　4.AsA-GSH循環(huán)雖然可以精確調(diào)控不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的H2O2水平，但當(dāng)細(xì)胞內(nèi)H2O2大量積累時(shí)，AsA-GSH循環(huán)的調(diào)控作用會(huì)受到抑制，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的CAT酶可以有效地響應(yīng)不同亞細(xì)胞部位內(nèi)的H2O2水平，并對(duì)其在細(xì)胞中的濃度變化產(chǎn)生調(diào)控。利用離體水稻葉片，進(jìn)行外源H2O2處理試驗(yàn)表明，CATA和CATB受外源H2O2誘導(dǎo)表達(dá)，而CATC對(duì)H2O2處理不敏感;對(duì)上述3個(gè)CAT基因在早衰突變體esl旗葉衰老過程中的動(dòng)

11、態(tài)表達(dá)及其與野生型間的差異比較表明，esl突變體葉片中的CATA和CATB在衰老前期表達(dá)較高，且高于野生型，并隨葉片衰老而逐漸下降，CATA比CATB的下降幅度更快，而CATC在衰老過程中無顯著表達(dá)變化，esl突變體葉片中CATA和CATB的表達(dá)可能受葉片衰老前期高H2O2水平誘導(dǎo)，而這2個(gè)基因在衰老后期的下降表達(dá)，可能使葉片細(xì)胞中H2O2調(diào)控失衡，進(jìn)而加劇衰老。
　　5.質(zhì)膜NADPH氧化酶(Plasma membrane NA

12、DPH oxidase，PM-NOX)是植物細(xì)胞內(nèi)O2-的主要來源之一，由O2-通過SOD歧化作用產(chǎn)生的H2O2是植物細(xì)胞中的重要信號(hào)分子，在植物的逆境響應(yīng)和衰老過程起重要的調(diào)控作用。對(duì)PM-NOX同工基因在esl突變體葉片衰老過程中的表達(dá)及其與野生型間的差異比較表明，NOX2、NOX5、NOX6和NOX7在esl葉片衰老起始階段高表達(dá)，而NOX1、NOX3和FR07的表達(dá)量較低;采用外源ABA處理離體水稻葉片試驗(yàn)揭示，NOX2、NOX