楊樹耐受鹽脅迫和日光紫外線-B輻射的生理與分子機(jī)制.pdf

1、土地鹽漬化和增強(qiáng)的日光紫外線-B輻射(UV-B,280-315nm)嚴(yán)重影響著全球的自然生態(tài)環(huán)境和農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)，特別是在生態(tài)脆弱的干旱和半干旱地區(qū)。楊樹是世界上分布最廣也是適應(yīng)性最強(qiáng)的木本植物，新疆楊(Populus alba)和俄羅斯楊(Populus russkii)是廣泛分布于我國大西北地區(qū)的兩類楊屬樹種，這兩種楊樹對于鹽分脅迫的耐受性具有明顯差異。
　　本研究以新疆楊和俄羅斯楊為材料，通過鹽脅迫處理、增強(qiáng) UV-B輻射以及U

2、V-B&Salt復(fù)合脅迫處理研究了兩種楊樹的生理生化及分子響應(yīng)機(jī)制；同時本研究還利用水培條件進(jìn)行高濃度的鹽分脅迫處理，研究了兩種楊樹的Na+/K+離子吸收轉(zhuǎn)運特性和基因通量表達(dá)差異以及其對鹽脅迫的一系列生理和分子適應(yīng)機(jī)制。本研究的主要結(jié)果如下：
　　(1)鹽脅迫、UV-B輻射及UV-B&Salt復(fù)合脅迫均對兩種楊樹的光合作用系統(tǒng)和活性氧(ROS)代謝系統(tǒng)造成較大影響，如凈光合作用速率(Pn)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)及光合色素

3、含量降低，熱耗散量子比率(Fo/Fm)增大；過氧化氫(H2O2)含量和丙二醛(MDA)含量升高，一系列抗氧化酶(如POD、CAT、APX和GR)活性增強(qiáng)。此外這三種不同脅迫還使?jié)B透保護(hù)物質(zhì)如脯氨酸、甘氨酸-甜菜堿及可溶性蛋白的含量升高?？傮w而言兩種楊樹對于鹽脅迫和UV-B輻射的生理響應(yīng)存在較多相似之處，并且在復(fù)合脅迫下兩種楊樹啟動的防御保護(hù)機(jī)制最強(qiáng)，中等濃度的鹽分脅迫使楊樹及時地啟動了防御機(jī)制，從而減緩了UV-B輻射的傷害。
　　

4、(2) UV-B輻射及UV-B&Salt復(fù)合處理能夠誘發(fā)楊樹UV-B信號傳導(dǎo)途徑中一系列關(guān)鍵基因的表達(dá)，如參與 UV-B光形態(tài)建成的關(guān)鍵基因 HY5、COP1、STO/BBX24和STH2，同時還使苯丙烷代謝途徑的一系列關(guān)鍵基因上調(diào)表達(dá)如CHS1、CHS4、FLS1和FLS2等。此外鹽脅迫也能刺激新疆楊楊苯丙烷代謝途徑中關(guān)鍵基因的表達(dá)。上述基因的表達(dá)能夠有效感知和響應(yīng) UV-B輻射，并且能夠啟動和促進(jìn)苯丙烷代謝產(chǎn)物的合成，進(jìn)而使楊樹能夠

5、有效抵御UV-B輻射所造成的傷害。
　　(3)通過 qPCR的方法檢測了不同脅迫對新疆楊葉片的基因組 DNA造成的損傷程度，發(fā)現(xiàn)UV-B輻射造成的損傷程度最為嚴(yán)重，而在UV-B&Salt復(fù)合脅迫下的DNA損傷程度顯著低于單一UV-B處理；同時通過檢測楊樹DNA損傷修復(fù)基因的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，在UV-B&Salt復(fù)合脅迫下，新疆楊葉片中光修復(fù)酶基因 PHR、MMR損傷修復(fù)系統(tǒng) MSH2-MSH6以及 DNA損傷結(jié)合蛋白DDB1a和DDB2均

6、有較大幅度的上調(diào)，并且這種上調(diào)表達(dá)的幅度較單一UV-B輻射更高，表明鹽脅迫能夠明顯緩解 UV-B輻射對楊樹造成的傷害。
　　(4)通過水培條件對兩種楊樹進(jìn)行高濃度的鹽處理，同時添加可能參與Na+吸收轉(zhuǎn)運的各轉(zhuǎn)運蛋白及離子通道的抑制劑，對兩種楊樹低親和性 Na+吸收系統(tǒng)進(jìn)行藥理學(xué)分析，結(jié)果表明兩種楊樹 Na+低親和性吸收存在較為明顯的差異。新疆楊中介導(dǎo) Na+低親和性吸收系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運蛋白及離子通道主要包括 K+通道和非選擇性陽離子通道

7、(NSCCs)；而在俄羅斯楊中介導(dǎo) Na+低親和性吸收的轉(zhuǎn)運蛋白及離子通道主要包括 K+通道蛋白、高親和K轉(zhuǎn)運蛋白和非選擇性陽離子通道(NSCCs)等。
　　(5)通過水培條件對兩種楊樹進(jìn)行短期(24h)和中長期(12-15d)的高濃度鹽分脅迫處理，發(fā)現(xiàn)兩種楊樹在鹽脅迫下的Na+的吸收分布、抗氧化酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)保護(hù)物質(zhì)的合成以及 Na+/K+離子轉(zhuǎn)運蛋白的表達(dá)均存在較為明顯的差異。新疆楊在短期鹽脅迫下就能夠及時有效地啟動抗逆保護(hù)

8、機(jī)制，能夠通過上調(diào)一系列抗鹽基因的表達(dá)，如位于液泡膜的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白NHX、質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白 SOS1和鈉鉀共轉(zhuǎn)運蛋白 HKT1;1等；而俄羅斯楊在鹽脅迫下這些重要的抗鹽基因的表達(dá)量均沒有表現(xiàn)出升高的趨勢。因而導(dǎo)致兩種楊樹在鹽分脅迫下表現(xiàn)出明顯的差異。
　　(6)通過 RNA-Seq測序?qū)煞N楊樹在短期和中長期鹽脅迫下的基因表達(dá)譜進(jìn)行分析表明，鹽脅迫下兩種楊樹根系中存在大量的差異表達(dá)基因，對這些差異表達(dá)基