不同光強下大豆質(zhì)體末端氧化酶及功能相關基因表達的研究.pdf

1、近年來，玉米-大豆帶狀復合種植得到了大力發(fā)展，已成為振興我國大豆產(chǎn)業(yè)的有效途徑。但在南方玉米-大豆帶狀套作模式中，高位作物玉米對低位作物大豆的遮蔭及玉米收獲后光照的明顯增強影響了大豆的光合能力，是限制產(chǎn)量的重要因素。因此，深入了解大豆在不同光強下的光合特性，穩(wěn)定并提高大豆在復合種植模式中的光合能力，對于進一步發(fā)展玉米-大豆帶狀復合種植具有重要意義。本研究選擇南豆12和南032-4兩個產(chǎn)量與耐蔭性均不相同的大豆品種為試驗材料，在人工氣候室

2、內(nèi)的低光強、中等光強及高光強三種不同的光強條件下和田間玉米-大豆套作、大豆單作兩種種植模式下，分別檢測了光照強度對大豆葉綠體呼吸末端氧化酶(PTOX)及其功能相關基因（PGR5、NDH-H、PDS、ZDS、RbcS、AOX1、AOX2a、AOX2b）表達水平變化的影響。質(zhì)子梯度調(diào)節(jié)蛋白(PGR5)和NAD(P)H脫氫酶(NDH)復合體分別介導了環(huán)式電子傳遞的兩條途徑，八氫番茄紅素去飽和酶(PDS)和ξ-胡蘿卜素去飽和酶(ZDS)是類胡蘿

3、卜素合成的兩個重要酶，RbcS是光合碳同化中1，5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)由核基因編碼的小亞基，AOX1、AOX2a和AOX2b則是與PTOX高度同源的交替末端氧化酶(AOX)在大豆中的三種類型。同時，分別測定了兩個品種的大豆在不同光強下的光合指標、熒光參數(shù)、光合色素水平以及超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸酶(APX)和蘋果酸脫氫酶(NAD-MDH和NADP-MDH)的酶活。主要研究結(jié)果如下:
　　1.在室內(nèi)不同光

4、照強度條件下，兩大豆品種中PTOX、 PGR5、PDS、ZDS、AOX1和AOX2a的基因表達水平均受到光照的誘導，并隨著光照強度的增加而升高，其中PTOX、 PGR5、PDS和ZDS在南豆12中的表達上調(diào)水平均不同程度高于南032-4中，而AOX1和AOX2a在南豆12中的表達上調(diào)水平均不同程度低于南032-4;但是，兩大豆品種中NDH-H、RbcS和AOX2b基因的表達水平在不同光照強度下并未發(fā)生明顯的改變。
　　2.在田間條

5、件下，玉米收獲前，兩大豆品種中PTOX和PGR5基因在單作下的表達水平均高于套作，且在上部葉片中的表達水平高于下部葉片;南豆12中AOX1和AOX2a單作下的表達水平低于套作，而在南032-4中則與之相反，且兩品種中AOX1和AOX2a在上部葉片中的表達水平均高于下部葉片;兩品種中PDS和ZDS基因則是在套作下的表達水平高于單作，上部葉片中的表達水平高于下部葉片。玉米收獲后，兩品種中PTOX、 PGR5、AOX1和AOX2a在單作下的表

6、達水平均高于套作，且在上部葉片中的表達水平高于下部葉片。此外，品種間比較發(fā)現(xiàn)，玉米收獲前，同一種植模式及同一葉位中，PTO、PGR5和PDS在南豆12中的表達水平高于南032-4，AOX1、AOX2a和ZDS剛好與之相反。玉米收獲后，同一種植模式及同一葉位中，PTOX和ZDS在品種間比較均無明顯差異。兩大豆品種中NDH-H、RbcS和AOX2b基因的轉(zhuǎn)錄表達水平在各種條件下均未發(fā)生顯著的改變。
　　3.不同光照強度下，南豆12的凈

7、光合速率(Pn)均高于南032-4，其胞間二氧化碳濃度(Ci)則低于南032-4，而氣孔導度（GS)在品種間則不存在顯著差異。這表明，造成品種間凈光合速率的差異是由非氣孔因素所造成。兩大豆品種的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量均隨著光照強度的增加而降低，且在低、中光強及兩種大田栽培條件下，兩種色素在南豆12中的含量均高于南032-4，但高光強下，這種差異并不明顯。這表明，兩品種光合能力不同與捕光能力的差異有密切關系，但在高光強下的不同還另有原

8、因。進一步研究發(fā)現(xiàn)，兩品種大豆的PSⅡ的最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、光化學淬滅效率(qP)、PSⅡ?qū)嶋H電子傳遞的量子效率(ΦPSⅡ)均隨著光照強度增加而降低，電子傳遞速率(ETR)均是先增加后降低，而非光化學淬滅效率(NPQ)在高光強下均提升到較高的水平，且南豆12極顯著高于南032-4。這說明，過多光能導致兩種大豆均發(fā)生了光抑制，而高光強下，南豆12耗散過剩光能的能力比南032-4更強。此外，超氧化物歧化酶(SOD)和抗壞血酸過氧化氫

9、酶(APX)以及兩種蘋果酸脫氫酶(NAD-MDH和NADP-MDH)在兩種大豆中的活性均隨著光照強度的增加而升高，其中SOD和APX在南豆12中的酶活性均高于南032-4，而兩種蘋果酸脫氫酶的酶活性剛好與之相反。這表明南豆12可能具有活性更高的抗氧化酶系，而南032-4輸出葉綠體還原性物質(zhì)的能力要強于南豆12。
　　綜上所述，光照強度的增加明顯引起了末端氧化酶PTOX和AOX基因的表達上調(diào)，同時，其功能相關基因PGR5、PDS和Z

10、DS的表達水平也相應提高。這表明葉綠體呼吸、交替呼吸以及環(huán)式電子傳遞的過程在大豆光保護機制中可能發(fā)揮了一定的作用。高光強下，南豆12比南032-4具有更高的抗氧化酶酶活，以及較高的凈光合速率和非光化學淬滅效率。而室內(nèi)或田間環(huán)境下，PTOX及相關功能基因(PGR5、PDS、ZDS)在南豆12中均比在南032-4中具有更高的表達水平?？梢酝茰y，具有較強葉綠體呼吸及環(huán)式光合電子傳遞能力的南豆12相比具有較強線粒體交替呼吸能力的南032-4，能