水稻早衰突變體(psf)葉片衰老形成與衰老速率調(diào)控的生理機(jī)制研究.pdf

1、葉片是水稻光合作用的主要器官，水稻生育后期功能葉提早衰老，會(huì)導(dǎo)致源器官向庫器官的同化產(chǎn)物供應(yīng)不足，嚴(yán)重影響水稻產(chǎn)量潛力的充分發(fā)揮，因此研究延緩水稻功能葉衰老的起始或者推遲葉片衰老的速率，對(duì)提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)都具有重要意義。本研究利用葉片早衰突變體（premature senescence at filling stage，psf)與其野生型對(duì)照（浙恢7954）為材料，通過在水稻生育后期旗葉葉片衰老過程中的動(dòng)態(tài)取樣，并結(jié)合離體葉片的外源誘

2、導(dǎo)（或抑制）衰老處理，對(duì)水稻葉片衰老過程的相關(guān)代謝生理變化進(jìn)行了研究分析，并重點(diǎn)探討了水稻葉片衰老過程與葉片器官中的光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)D1蛋白損傷、抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)及ABA激素調(diào)控代謝之間的生理聯(lián)系，主要研究結(jié)果如下:
　　1、對(duì)水稻葉片早衰與產(chǎn)量品質(zhì)之間關(guān)系的研究結(jié)果表明，水稻生育后期旗葉早衰不僅會(huì)引起水稻結(jié)實(shí)率和千粒重的顯著降低，而且會(huì)導(dǎo)致其稻米糙米率、精米率和整精米率的顯著降低，尤其是整精米率下降明顯。與此同時(shí)，水稻葉片早衰

3、突變體psf的堊白粒率和堊白度顯著高于其相同種植條件下的野生型對(duì)照，且葉片早衰程度越嚴(yán)重，稻米堊白米粒和堊白度的增幅越大。此外，水稻生育后期葉片早衰突變對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)也有一定影響。與野生對(duì)照相比，早衰突變體psf的直鏈淀粉含量有所降低，但稻米淀粉的糊化熱焓(△H)明顯上升，而DSC糊化溫度則因播期變化而異，規(guī)律性不明顯。水稻后期旗葉衰老對(duì)稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響表現(xiàn)為，葉片早衰會(huì)導(dǎo)致稻米中的總蛋白、植酸和Zn含量的提升，但Zn的生物有效性

4、明顯降低。
　　2、早衰突變體psf的葉片早衰癥狀及其衰老進(jìn)程受光照因素的誘導(dǎo)，且與葉片中的內(nèi)源ABA含量之間存在密切關(guān)系。與野生型相比，早衰突變體衰老葉片中ABA含量顯著高于其野生型對(duì)照。遮光處理可以明顯的減輕甚至抑制早衰突變體葉片早衰癥狀的發(fā)生，與此同時(shí)，遮光部位葉片的內(nèi)源ABA含量也顯著降低;對(duì)ABA誘導(dǎo)的葉片衰老與葉片光合生理功能之間的關(guān)系研究結(jié)果，ABA參與的葉片衰老速率變化與PSⅡ反應(yīng)中心的光損傷和D1蛋白周轉(zhuǎn)密切相關(guān)

5、，隨著葉片ABA含量的上升，調(diào)控D1蛋白生物合成基因以及PSⅡ光反應(yīng)中心蛋白損傷修復(fù)關(guān)鍵基因(psbA、psbB、psbC和OsFtsH2)顯著下調(diào)表達(dá)，從而導(dǎo)致衰老葉片中的D1蛋白合成減少進(jìn)而影響PSⅡ的損傷修復(fù)過程。其中，ABA對(duì)D1蛋白重新合成和光損傷D1蛋白修復(fù)的抑制是ABA調(diào)控葉片衰老的兩個(gè)關(guān)鍵步驟。在ABA介導(dǎo)的葉片衰老過程中，OsFtsH2基因是調(diào)控D1蛋白周轉(zhuǎn)和PSⅡ損傷修復(fù)過程中最重要的基因之一，其主要負(fù)責(zé)對(duì)PSⅡ損傷

6、修復(fù)過程中光損傷D1蛋白的降解。
　　3、對(duì)早衰突變體葉片衰老過程中的活性氧(ROS)產(chǎn)生與抗氧化保護(hù)酶活性的測(cè)定結(jié)果，早衰突變體psf葉片中的葉綠素含量和葉綠素a/b值要低于其野生型對(duì)照，但前者的ROS水平則顯著高于后者，且在早衰突變體psf的葉片衰老過程，超氧陰離子(O2*-)和過氧化氫(H2O2)的顯著提升時(shí)間比其葉綠素含量及葉綠素a/b顯著下降時(shí)間要相對(duì)更早，表明ROS爆發(fā)是引起psf葉片衰老起始和加速的重要原因;對(duì)早衰突

7、變體psf與野生型對(duì)照葉片中的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和過氧化物酶(POD)活性的比較結(jié)果顯示，早衰突變體psf葉片的SOD、CAT和APX活性低于其野生對(duì)照，但POD活性卻表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，早衰突變體psf葉片高于野生對(duì)照，且隨著葉片衰老進(jìn)程的加劇而上升，與葉片衰老過程中的O2*-產(chǎn)生速率呈顯著正相關(guān)，表明在葉片衰老過程中POD可能主要是起氧化損傷作用，而不是起抗氧化保護(hù)酶的功能

8、;在各種SOD的同工酶中，Mn-SOD對(duì)O2*-產(chǎn)生速率的上升表現(xiàn)的最為敏感，而Cu/Zn-SOD同工型在葉片衰老過程中表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，揭示早衰突變體葉片衰老過程中的SOD活性降低可能主要源于Mn-SOD同工型的降低，從而使SOD抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)崩潰并最終導(dǎo)致葉片的加速衰老，而不同Cu/Zn-SOD同工型則是對(duì)不同亞細(xì)胞器中O2*-的清除發(fā)揮作用。
　　4、早衰突變體psf的衰老癥狀顯現(xiàn)及衰老進(jìn)程與其葉片中的糖類物質(zhì)含量也存在密切聯(lián)

9、系，早衰突變體psf旗葉中的可溶性糖、蔗糖和己糖（果糖+葡萄糖）含量均顯著低于其野生型對(duì)照，且在葉片衰老過程中均呈大幅的下降趨勢(shì)。這表明早衰突變體psf葉片的衰老與糖饑餓有關(guān)。離體葉片的糖饑餓處理試驗(yàn)結(jié)果表明，糖饑餓會(huì)誘發(fā)葉片衰老和加速葉片衰老的進(jìn)程，且糖饑餓誘導(dǎo)的葉片衰老變化與葉片中的ABA含量有關(guān)，糖饑餓會(huì)引起葉片中ABA含量的顯著上升，而外源糖供應(yīng)處理離體葉片在顯著延緩葉片衰老進(jìn)程的同時(shí)，也抑制了葉片ABA含量的上升。對(duì)糖饑餓和外

10、源蔗糖供應(yīng)處理下ABA合成與分解代謝若干關(guān)鍵調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)檢測(cè)結(jié)果，糖饑餓可引起ABA合成代謝關(guān)鍵基因(NCED1、NCED4和NCED5)下調(diào)表達(dá)，同時(shí)也抑制了對(duì)ABA分解起關(guān)鍵調(diào)控作用的相關(guān)基因(ABA8ox2和ABA8ox3)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，但這種抑制可以通過外源糖供應(yīng)得到逆轉(zhuǎn)，外源蔗糖處理不僅可以顯著誘導(dǎo)NCED1、NCED4和NCED5的上調(diào)表達(dá)，而且也可以誘導(dǎo)對(duì)ABA分解起關(guān)鍵調(diào)控作用的ABA8ox2和ABA8ox3的上調(diào)表

11、達(dá)。由于NCED1和ABA8ox3分別是調(diào)控ABA合成與分解代謝的兩個(gè)重要功能基因，且在水稻葉片中呈特異性高表達(dá)，因此，糖饑餓誘導(dǎo)的葉片衰老過程中ABA含量的上升，可能主要是源于ABA分解代謝的下降，而非其合成代謝受糖饑餓誘導(dǎo)提高所導(dǎo)致。
　　5、生長(zhǎng)素在植物組織和器官的形成分化及植物與環(huán)境間的信號(hào)交流中起著重要的調(diào)控作用，但對(duì)生長(zhǎng)素在葉片衰老中所起的調(diào)控作用，迄今尚存在一定爭(zhēng)議。本文研究結(jié)果揭示，IAA的自由態(tài)和絡(luò)合態(tài)轉(zhuǎn)化對(duì)水稻

12、葉片衰老進(jìn)程有顯著影響。在葉片衰老過程中，早衰突變體psf中的自由型IAA含量顯著低于其野生型對(duì)照，且隨著葉片衰老的加劇，兩者間的差異幅度越大。與之相反，早衰突變體psf衰老旗葉中的絡(luò)合型（態(tài)）IAA（IAA-ASP）卻顯著高于其野生型對(duì)照，且隨其葉片衰老程度的加劇呈較明顯上升趨勢(shì)。進(jìn)一步對(duì)水稻葉片衰老過程中IAA信號(hào)響應(yīng)、IAA合成和IAA絡(luò)合代謝途徑幾個(gè)關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量的檢測(cè)結(jié)果表明，調(diào)控IAA共軛作用的關(guān)鍵基因GH3s在早衰突變