結縷草溫度脅迫的生理響應及其分子機制研究.pdf

1、溫度作為生物機能的一種動力，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、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制，對其分子機理研究甚少。本試驗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

2、及其分子適應機制。 以南方最廣泛種植的兩種暖季型草坪草--溝葉結縷草(Zoysiagrass matrella(L.) merr.)和日本結縷草(Zoysiagrass japonica Steud)為材料，測定其高低溫脅迫下主要抗性生理指標的變化。結果表明：兩種結縷草在高溫和低溫脅迫下，葉片可溶性糖、可溶性蛋白質和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質的含量都有不同程度增加，其中溝葉結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、顯大于日本結縷草。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)是細胞膜的保護酶系統(tǒng)，具有清除活性氧物質的功能。試驗結果表明，低溫和高溫下，兩種結縷草葉片SOD、POD和CAT三種酶活性都有不同程度增強，其中溝葉結縷草在逆境溫度下其SOD與CAT活性增強均大于日本結縷草，日本結縷草則表現(xiàn)為逆境下POD活性增強大于溝葉結縷草。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)，本試驗結果表明，高溫下兩種結縷

4、草MDA含量增加不顯著，但在低溫下，其含量都極顯著增加，其中日本結縷草MDA含量的增加幅度大于溝葉結縷草。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。在本試驗中，高低溫脅迫下兩種結縷草葉片的葉綠素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，尤其是日本結縷草。植物激素在植物生長過程中起重要作用。本試驗結果表明，兩種結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縷草的ABA含量增幅又大于日本結縷草；高溫脅迫下，兩種結縷草葉片促進類激素都相對保持較高含量，在低溫脅迫時促進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，兩種結縷草葉片內(nèi)抑制類激素與促進類激素總量的比值升高。 綜合各抗性生理指標值的變化，我們認為兩種結縷草抗高溫性能優(yōu)于抗低溫；同樣的溫度脅迫下，溝葉結縷草的抗逆

6、性又強于日本結縷草。 在前期溫度脅迫的抗性生理指標測定與分析的基礎上，選擇抗性表現(xiàn)更佳的溝葉結縷草為材料，利用雙向電泳技術(two-dimensional electrophoresis，2-DE)、質譜技術(mass spectrometry，MS)并結合生物信息學的方法，分別對其在低溫脅迫和高溫脅迫條件下的差異蛋白質組學進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)高低溫下共有35個蛋白質點在不同處理間存在顯著的差異表達模式。35個蛋白質點通過Q-T

7、OF MS分析后有26個蛋白獲得了有效的肽指紋圖譜和功能預測。根據(jù)其功能，將它們歸納為五個類群，即：信號轉導相關蛋白、代謝相關蛋白、防衛(wèi)相關蛋白、蛋白質合成與降解相關蛋白、細胞轉運能力和胚胎發(fā)育相關蛋白。其中，在低溫脅迫下，質譜分析共鑒定出20個蛋白點，有4個點是同一個蛋白(Rubisco大亞基)，這些差異表達的蛋白質一方面加強了胞內(nèi)信號轉導、活性氧的清除、蛋白質防御以提高溝葉結縷草的抗逆性，另一方面由于一些蛋白質豐度的下調(diào)表達使得低溫

8、下植物體呼吸作用表現(xiàn)為先增強后減弱、光合作用下降、蛋白質降解、細胞的轉運能力減弱，不利植物的生長發(fā)育；在高溫脅迫下，質譜分析共鑒定出19個蛋白點，3個點是同一個蛋白(Rubisco大亞基)，這些蛋白質主要加強了信號識別、跨膜信號轉導、光合作用、呼吸作用、次生代謝作用、活性氧的清除、蛋白質防御及蛋白質的合成等方面，極大地提高了溝葉結縷草的高溫抗逆性。此外，在本試驗高低溫處理中，均鑒定出ZLL/PNH同源蛋白相對豐度的下調(diào)表達，且均隨著時間

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能。 進一步運用抑制消減雜交(SSH)方法構建溝葉結縷草對高溫(40℃)處理響應的正向差減文庫，通過reverse northern雜交方法篩選文庫，挑選出高溫脅迫處理下35個差異表達基因，對這些基因進行測序，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)進行比對，

10、獲得26個基因功能已知的差異表達的基因。這些已知基因分別參與植物代謝、基因表達調(diào)控和信號轉導、植物抗逆性反應以及蛋白質的合成等過程。試驗中鑒定出與代謝有關的NADP-蘋果酸酶、與蛋白質合成有關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表達，這一結果與高溫脅迫下溝葉結縷草的差異蛋白質組學研究的結果相一致，進一步證明了高溫脅迫下溝葉結縷草通過加強代謝作用，增強蛋白質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