外源鈣提高黃瓜幼苗低氧脅迫耐性的酶及蛋白基礎(chǔ)研究.pdf

1、無(wú)土栽培中水培營(yíng)養(yǎng)液供氧不足或基質(zhì)培根墊的形成均會(huì)造成低氧逆境,影響植株正常生長(zhǎng)發(fā)育,成為困擾無(wú)土栽培技術(shù)大規(guī)模應(yīng)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。鈣是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素,是細(xì)胞壁、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的重要組分,對(duì)維持細(xì)胞膜、細(xì)胞壁和膜結(jié)合蛋白的穩(wěn)定性,調(diào)節(jié)無(wú)機(jī)離子的運(yùn)輸?shù)确矫嫫鹬陵P(guān)重要的作用。研究表明,外源鈣對(duì)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(guān)

2、于外源鈣對(duì)低氧脅迫下植物相關(guān)酶蛋白質(zhì)和特異基因表達(dá)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(yíng)養(yǎng)液栽培的方法,通過(guò)營(yíng)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(guān)酶基因表達(dá)之間的關(guān)系,探討了鈣在黃瓜植株適應(yīng)低氧脅迫中的作用機(jī)制。主要研究結(jié)果如下:
　　 根際低氧脅迫顯著抑制了黃瓜植株的生長(zhǎng),鮮重和干重顯著低于對(duì)照；營(yíng)養(yǎng)液添加2—6

3、mmol·L-1Ca2+促進(jìn)黃瓜植株的生長(zhǎng),緩解低氧脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制作用,其中以營(yíng)養(yǎng)液添加4 mmol·L-1 Ca2+緩解脅迫傷害的效果最顯著。
　　 與對(duì)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(yíng)養(yǎng)液增施4mmol·L-1 CaCl2緩解了低氧脅迫對(duì)黃瓜植株的傷害,SOD、POD和CAT同工酶活性接近對(duì)照水平；與常鈣低氧處理相比,營(yíng)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(yíng)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(dá)量的劇烈波動(dòng),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(shí)間的延長(zhǎng)迅速降低。暗示外源Ca2+增加了Ca2+向植株體內(nèi)的運(yùn)輸,促進(jìn)了低氧逆境脅迫信號(hào)向體內(nèi)的傳遞,提高了根系保護(hù)酶的表達(dá)量及其活性氧清除水平,從而增強(qiáng)了黃瓜植株耐低氧脅

5、迫的能力。
　　 低氧脅迫誘導(dǎo)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(duì)照；營(yíng)養(yǎng)液添加 CaCl2緩解了低氧脅迫對(duì)黃瓜植株的傷害,ADH、LDH同工酶豐度和活性接近對(duì)照水平；營(yíng)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(zhǎng)受到抑制,生物量顯著低于常鈣低氧處理；營(yíng)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(zhǎng)受到抑制,黃瓜植株的低氧耐性降低。說(shuō)明外源Ca2+參與了低氧脅迫下黃瓜根系無(wú)氧呼吸代謝的調(diào)節(jié),增強(qiáng)了Ca2+向植物體內(nèi)的運(yùn)輸,緩解了低氧脅迫對(duì)黃瓜幼苗植株的傷害,增強(qiáng)了植物對(duì)低氧的耐性。
　　 短期根際低氧脅迫下黃瓜根尖 Adh基因表達(dá)顯著上調(diào),營(yíng)養(yǎng)液增施4 mmol·L-1 CaCl2顯著增強(qiáng)了Adh基因的表達(dá),而營(yíng)養(yǎng)液添加鈣離子通道抑制劑La3+抑制了Adh基因表達(dá)；根際低氧脅迫下,黃瓜根尖Mdh基因表達(dá)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(dá),營(yíng)養(yǎng)液添加La3+抑制了Mdh基因表達(dá)；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(duì)照,而在脅迫6h后表達(dá)量與對(duì)照差異不顯著,外源鈣增強(qiáng)了黃瓜根尖Acs基因表達(dá),處理期間Acs基因表達(dá)顯著高于常鈣低氧處理,營(yíng)養(yǎng)液添加La3+抑制了脅迫后期Acs基因表達(dá)。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(qiáng)了黃瓜植株低氧脅迫初期

8、的有氧呼吸,為細(xì)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(jī)；Acs活性升高,乙烯含量增加,有利于根系通氣組織的形成,進(jìn)而改善了低氧脅迫下黃瓜根系的微環(huán)境,從而增強(qiáng)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(yíng)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(dá)到對(duì)照

9、水平；低氧脅迫下營(yíng)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(duì)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(guò)增加植株礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),維持質(zhì)膜和內(nèi)膜ATPase活性,從而緩解低氧脅迫對(duì)植株造成的傷害,增強(qiáng)黃瓜幼苗植株的低氧耐性。
　　 低氧處理48h后超過(guò)1000個(gè)蛋白點(diǎn)經(jīng)過(guò)雙向電泳和考馬斯亮藍(lán)染色方法成功分離,10個(gè)蛋白點(diǎn)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(fù)；34個(gè)蛋白點(diǎn)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(fù)。33個(gè)蛋白點(diǎn)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(xì)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(diǎn)減少；營(yíng)養(yǎng)液添加鈣緩解了根系蛋白質(zhì)合成的受阻,蛋白點(diǎn)增加,同時(shí),與蛋白質(zhì)合成、活性氧代謝、細(xì)胞壁合成和碳代謝相關(guān)的蛋白點(diǎn)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