外源鈣提高黃瓜幼苗低氧脅迫耐性的酶及蛋白基礎研究.pdf

1、無土栽培中水培營養(yǎng)液供氧不足或基質(zhì)培根墊的形成均會造成低氧逆境,影響植株正常生長發(fā)育,成為困擾無土栽培技術大規(guī)模應用于生產(chǎn)的限制性因子。因此,提高植株在低氧脅迫下的耐性和抗性對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。鈣是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素,是細胞壁、細胞膜結構的重要組分,對維持細胞膜、細胞壁和膜結合蛋白的穩(wěn)定性,調(diào)節(jié)無機離子的運輸?shù)确矫嫫鹬陵P重要的作用。研究表明,外源鈣對低氧脅迫下植物呼吸作用、碳代謝和光合作用具有一定的生理調(diào)節(jié)作用,然而,關

2、于外源鈣對低氧脅迫下植物相關酶蛋白質(zhì)和特異基因表達的影響尚不清楚。因此,本文以‘新泰密刺’黃瓜(Cucumis sativus L.)品種為試材,采用營養(yǎng)液栽培的方法,通過營養(yǎng)液中添加外源鈣和鈣離子通道抑制劑,研究了低氧脅迫下鈣與黃瓜幼苗根系蛋白質(zhì)組和呼吸相關酶基因表達之間的關系,探討了鈣在黃瓜植株適應低氧脅迫中的作用機制。主要研究結果如下:
　　 根際低氧脅迫顯著抑制了黃瓜植株的生長,鮮重和干重顯著低于對照；營養(yǎng)液添加2—6

3、mmol·L-1Ca2+促進黃瓜植株的生長,緩解低氧脅迫對植株生長的抑制作用,其中以營養(yǎng)液添加4 mmol·L-1 Ca2+緩解脅迫傷害的效果最顯著。
　　 與對照相比,常鈣低氧脅迫處理的黃瓜幼苗根系SOD和CAT同工酶活性先降低再升高,POD同工酶活性則持續(xù)升高；營養(yǎng)液增施4mmol·L-1 CaCl2緩解了低氧脅迫對黃瓜植株的傷害,SOD、POD和CAT同工酶活性接近對照水平；與常鈣低氧處理相比,營養(yǎng)液增施50μmol·L-

4、1鈣通道抑制劑LaCl3顯著抑制了幼苗根系SOD、POD和CAT同工酶活性的升高；營養(yǎng)液增施20μmol·L-1鈣調(diào)素拮抗劑三氟拉嗪(TFP)引起植株根系SOD、POD和CAT同工酶表達量的劇烈波動,SOD和CAT同工酶先迅速升高,再迅速降低,POD同工酶活性隨脅迫時間的延長迅速降低。暗示外源Ca2+增加了Ca2+向植株體內(nèi)的運輸,促進了低氧逆境脅迫信號向體內(nèi)的傳遞,提高了根系保護酶的表達量及其活性氧清除水平,從而增強了黃瓜植株耐低氧脅

5、迫的能力。
　　 低氧脅迫誘導產(chǎn)生了新的ADH和LDH同工酶條帶,ADH、LDH同工酶豐度和活性顯著高于對照；營養(yǎng)液添加 CaCl2緩解了低氧脅迫對黃瓜植株的傷害,ADH、LDH同工酶豐度和活性接近對照水平；營養(yǎng)液添加LaCl3顯著抑制了ADH和LDH同工酶豐度和酶活性,黃瓜幼苗植株生長受到抑制,生物量顯著低于常鈣低氧處理；營養(yǎng)液添加TFP抑制了ADH和LDH同工酶豐度和酶活性,ADH和LDH同工酶豐度和酶活性顯著低于低氧處理,

6、黃瓜幼苗植株生長受到抑制,黃瓜植株的低氧耐性降低。說明外源Ca2+參與了低氧脅迫下黃瓜根系無氧呼吸代謝的調(diào)節(jié),增強了Ca2+向植物體內(nèi)的運輸,緩解了低氧脅迫對黃瓜幼苗植株的傷害,增強了植物對低氧的耐性。
　　 短期根際低氧脅迫下黃瓜根尖 Adh基因表達顯著上調(diào),營養(yǎng)液增施4 mmol·L-1 CaCl2顯著增強了Adh基因的表達,而營養(yǎng)液添加鈣離子通道抑制劑La3+抑制了Adh基因表達；根際低氧脅迫下,黃瓜根尖Mdh基因表達表現(xiàn)

7、出先升高后降低,外源增施鈣顯著增加了脅迫初期(3h)Mdh基因表達,營養(yǎng)液添加La3+抑制了Mdh基因表達；根際低氧脅迫下,常鈣低氧處理在脅迫初期Acs基因顯著低于對照,而在脅迫6h后表達量與對照差異不顯著,外源鈣增強了黃瓜根尖Acs基因表達,處理期間Acs基因表達顯著高于常鈣低氧處理,營養(yǎng)液添加La3+抑制了脅迫后期Acs基因表達。表明鈣在根際低氧脅迫下調(diào)節(jié)黃瓜植株呼吸代謝和通氣組織形成發(fā)揮著重要作用,外源鈣增強了黃瓜植株低氧脅迫初期

8、的有氧呼吸,為細胞提供了能量,乙醇發(fā)酵途徑緩解了低氧脅迫造成的能量危機；Acs活性升高,乙烯含量增加,有利于根系通氣組織的形成,進而改善了低氧脅迫下黃瓜根系的微環(huán)境,從而增強了黃瓜植株的低氧耐性。
　　 低氧常鈣處理幼苗體內(nèi)K+、Ca2+、Mg2+含量顯著降低,質(zhì)膜、液泡膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜ATPase活性顯著降低；營養(yǎng)液增施Ca2+顯著提高了植株體內(nèi)K+、Ca2+、Mg2+含量和質(zhì)膜、液泡膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜 ATPase活性,接近或達到對照

9、水平；低氧脅迫下營養(yǎng)液增施 Ca2+通道抑制劑La3+顯著降低了黃瓜幼苗體內(nèi)K+、Ca2+、Mg2+含量和質(zhì)膜ATPase的活性,但對液泡膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜ATPase活性影響不顯著。表明,外源鈣通過增加植株礦質(zhì)營養(yǎng)離子的吸收和轉(zhuǎn)運,維持質(zhì)膜和內(nèi)膜ATPase活性,從而緩解低氧脅迫對植株造成的傷害,增強黃瓜幼苗植株的低氧耐性。
　　 低氧處理48h后超過1000個蛋白點經(jīng)過雙向電泳和考馬斯亮藍染色方法成功分離,10個蛋白點在低氧脅迫下

10、顯著上調(diào),外源鈣處理中部分或全部得到恢復；34個蛋白點低氧脅迫下顯著下調(diào),外源鈣處理中部分或全部得到恢復。33個蛋白點質(zhì)譜鑒定表明,這些蛋白涉及蛋白質(zhì)合成與修飾、活性氧代謝、細胞壁組分的生物合成、碳代謝,還有一些未知蛋白。低氧脅迫下,黃瓜根尖蛋白質(zhì)的合成受到抑制,蛋白點減少；營養(yǎng)液添加鈣緩解了根系蛋白質(zhì)合成的受阻,蛋白點增加,同時,與蛋白質(zhì)合成、活性氧代謝、細胞壁合成和碳代謝相關的蛋白點的豐度顯著上調(diào),有利于植株體內(nèi)活性氧的清除和根系通