甜菜堿提高小麥干旱高溫耐性的生理機(jī)制研究.pdf

1、在自然生長環(huán)境中，植物經(jīng)常處于多種脅迫并存的逆境條件下，如干旱和高溫共脅迫、干旱與低溫共脅迫等。人們對于干旱、高溫單一脅迫對植物生長發(fā)育的影響已經(jīng)研究了很多，但是有關(guān)干旱與高溫共脅迫對植物影響方面的研究卻很少。甜菜堿(GB)在提高植物對單一逆境(例如干旱或高溫脅迫)的抗性方面有重要作用，但是在干旱和高溫共脅迫條件下，甜菜堿改善植物抗性方面的研究資料還很少。本文利用超表達(dá)甜菜堿的轉(zhuǎn)基因小麥99T6(T6)及其野生型小麥?zhǔn)?185(WT)(

2、Triticum aestivum L.)為試材，研究了小麥對干旱、高溫單一脅迫以及干旱高溫共脅迫響應(yīng)，甜菜堿提高小麥抗干旱、高溫單因子脅迫以及干旱高溫共脅迫的生理機(jī)制，分析了單一逆境與多因子綜合逆境對小麥生理狀態(tài)影響的差異以及甜菜堿作用的差異。轉(zhuǎn)基因小麥99T6是通過基因工程轉(zhuǎn)入山菠菜(Prunella asiatica Nakai) BADH基因產(chǎn)生的，BADH基因編碼甜菜堿醛脫氫酶，此酶是甜菜堿合成的關(guān)鍵酶之一。轉(zhuǎn)基因系中，BAD

3、H基因的超表達(dá)誘導(dǎo)了甜菜堿的過量積累。本文采用室內(nèi)研究、網(wǎng)室盆栽和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法。室內(nèi)和盆栽實(shí)驗(yàn)設(shè)干旱、高溫脅迫和干旱高溫共脅迫三個處理；大田試驗(yàn)在5月下旬利用夏季小麥?zhǔn)斋@前田間大氣干旱、高溫、高光強(qiáng)并存，即“干熱風(fēng)”發(fā)生的自然環(huán)境條件。檢測了不同脅迫條件下，小麥葉片光合氣體交換參數(shù)、水分狀況和膜脂過氧化水平的變化差異。主要結(jié)果和結(jié)論如下： 1.過量積累GB對不同脅迫下小麥幼苗葉片光合作用的影響 砂培小麥幼苗生長到

4、三葉一心時進(jìn)行脅迫處理。用30％(w/v)PEG-6000(滲透勢大約為-1.88Mpa)誘導(dǎo)干旱脅迫處理3天；高溫脅迫處理是在光照培養(yǎng)箱中，溫度40℃處理3小時；干旱和高溫共脅迫處理是對已經(jīng)進(jìn)行干旱脅迫處理(30％(w/v)PEG-6000)3天的小麥幼苗放到40℃高溫條件下脅迫處理3小時。進(jìn)行脅迫處理后，對小麥的光合作用相關(guān)參數(shù)、水分狀況和膜脂過氧化指標(biāo)進(jìn)行測定。結(jié)果如下： (1)不同脅迫方式對小麥幼苗葉片光合作用的影響不同

5、。干旱與高溫脅迫下，小麥葉綠素含量、光合能力(Pn)、羧化效率(CE)和表觀量子效率(AQY)均明顯降低(P<0.05)，共脅迫下降低程度更大；干旱與高溫脅迫比較，高溫脅迫造成的降低程度高于干旱脅迫，但是干旱對蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)以及胞間CO2濃度(Ci)的影響程度高于高溫脅迫；干旱脅迫下氣孔關(guān)閉，高溫脅迫下氣孔張開，干旱高溫共脅迫下氣孔關(guān)閉。干旱、高溫單一脅迫下光合作用降低。外源BADH基因的導(dǎo)入提高了小麥葉片中甜菜堿的

6、積累水平，同時小麥葉片甜菜堿的積累還受干旱、高溫以及干旱高溫共脅迫的誘導(dǎo)。甜菜堿的過量積累不僅可以提高單一干旱或高溫脅迫條件下小麥的光合能力，而且可以提高干旱高溫共脅迫條件下小麥的光合作用。甜菜堿促進(jìn)光合能力的提高與氣孔狀況和葉肉光合能力的改善有關(guān)。 (2)GB的過量積累能維持較好的水分狀況。干旱單一脅迫與干旱高溫共脅迫造成小麥葉片相對含水量降低，但是高溫單一脅迫對葉片水分含量的影響不明顯。過量積累的甜菜堿除了本身是一種有效的滲

7、透調(diào)節(jié)物質(zhì)以外，還通過促進(jìn)其它滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，如脯氨酸和可溶性糖，維持了小麥葉片在不同脅迫條件下較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)了吸水，從而維持轉(zhuǎn)基因小麥株系較好的水分狀況，水分狀況的維持可能與水孔蛋白有關(guān)。 (3)GB的過量積累提高了小麥葉片的抗氧化能力。脅迫導(dǎo)致活性氧(超氧陰離子和過氧化氫)含量提高，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量以及膜透性增加，最終破壞了生物膜的完整性和有序性。共脅迫下膜脂過氧化程度較單一脅迫下更為嚴(yán)重。過

8、量積累甜菜堿的轉(zhuǎn)基因植株在同樣脅迫下膜系統(tǒng)的破壞小，膜脂過氧化水平低。測定結(jié)果表明，過量積累甜菜堿的轉(zhuǎn)基因植株主要抗氧化酶(SOD、CAT、POD、APX)的活性相對較高，抗氧化物質(zhì)(抗壞血酸AsA和還原型谷胱甘肽GSH)含量明顯高于野生型，能間接清除活性氧，由于甜菜堿不能直接清除活性氧，這些間接機(jī)制可能是最終降低膜脂過氧化水平和脅迫對轉(zhuǎn)基因小麥株系生物膜損傷的主要原因。 (4)過量積累GB能維持類脂組分和功能來保護(hù)類囊體膜上功

9、能蛋白和類囊體膜的完整性。脅迫改變類囊體膜中各類脂的相對比例，造成膜脂不飽和指數(shù)升高。過量積累甜菜堿的轉(zhuǎn)基因植株類囊體膜脂組分和脂肪酸不飽和度相對穩(wěn)定。脅迫同樣影響了類囊體膜上各種蛋白的豐度，并有新多肽的出現(xiàn)。過量積累甜菜堿的植株中類囊體多肽受脅迫影響小。 (5)過量積累GB對脅迫下小麥幼苗葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)有保護(hù)作用。干旱脅迫導(dǎo)致小麥葉片的基粒片層腫脹，變得模糊不清；高溫脅迫下，基粒片層解體；干旱高溫共脅迫條件下，損傷現(xiàn)象更為

10、嚴(yán)重：野生型小麥的葉綠體超微結(jié)構(gòu)受不同脅迫的損傷較轉(zhuǎn)基因株系T6更為明顯：甜菜堿的過量積累對不同脅迫下小麥葉片的類囊體片層結(jié)構(gòu)具有一定的保護(hù)作用，可以減輕不同脅迫條件下對葉綠體的超微結(jié)構(gòu)的破壞。 2.GB的過量積累對盆栽小麥旗葉光合能力的影響 盆栽小麥于開花期進(jìn)行脅迫處理。干旱脅迫的材料從開花期停止?jié)菜?，雨天用遮雨棚遮雨，對照必要時澆水。干旱和高溫共脅迫通過對處于干旱脅迫狀態(tài)的植株進(jìn)行高溫脅迫處理，高溫脅迫處理是在光照培

11、養(yǎng)箱中進(jìn)行，溫度40℃，處理時間為4小時。檢測開花期旗葉相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果如下： (1)過量積累GB提高了小麥旗葉的光合作用能力。BADH基因的導(dǎo)入增加了小麥旗葉甜菜堿的積累，略高于幼苗小麥葉甜菜堿含量，這可能與生長階段和生長環(huán)境有關(guān)。甜菜堿的過量積累不僅可以提高干旱或高溫單一脅迫條件下旗葉的光合能力，而且可以提高干旱高溫共脅迫條件下小麥旗葉的光合能力，這與幼苗期的結(jié)果一致。 (2)脅迫下轉(zhuǎn)基因小麥有較強(qiáng)的氮代謝能力。高溫和

12、干旱高溫共脅迫顯著降低了亞硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性(P<0.05)，表明亞硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶對高溫敏感。在三種脅迫下，T6中的NR和GS活性均高于WT，這表明逆境條件下，T6中GB積累誘導(dǎo)的游離脯氨酸及氨基酸含量的增加可能與氮代謝較為旺盛有關(guān)。 (3)GB的過量積累增加了脅迫下小麥旗葉PSII的活性。干旱脅迫下Fv/Fm變化不明顯；高溫和干旱高溫共脅迫條件下Fv/Fm和φPSII明顯降低，但T6中下

13、降程度低于WT。說明T6中PSII的反應(yīng)中心比較穩(wěn)定，對脅迫具有較強(qiáng)的耐性，即BADH基因的過量積累可以增強(qiáng)PSII的耐逆性。 (4)適當(dāng)?shù)母珊得{迫增強(qiáng)了小麥旗葉PSII的熱穩(wěn)定性。PSII的光化學(xué)活性在干旱高溫共脅迫條件下明顯高于高溫脅迫下的PSII活性，表明干旱脅迫提高了PSII的抗熱性。從qP的變化也可以看出，在高溫脅迫下其降低的程度高于干旱高溫共脅迫條件下，這也說明了干旱提高了PSII反應(yīng)中心的活性。干旱提高PSII的熱

14、穩(wěn)定性也與放氧復(fù)合體(OEC)的抗熱性提高有關(guān)，在干旱高溫共脅迫條件下出現(xiàn)的K相較高溫脅迫下低。 (5)過量積累GB提高了小麥旗葉熱耗散能力。干旱、高溫以及共脅迫下，T6和WT的旗葉NPQ明顯增加。葉黃素循環(huán)的脫環(huán)氧化狀態(tài)(A+Z)/(V+A+Z)的變化和NPQ的變化趨勢一致。葉黃素循環(huán)的脫環(huán)氧化狀態(tài)(A+Z)/(V+A+Z)與熱耗散能力直接相關(guān)。這說明三種脅迫條件下，小麥的熱耗散能力增強(qiáng)，干旱及共脅迫條件下明顯高于高溫脅迫下。

15、過量積累甜菜堿提高了小麥的熱耗散能力。 3.GB的過量積累對田間灌漿期小麥旗葉光合日變化的影響 在田間自然條件下，選擇晴天對灌漿期小麥旗葉的光合日變化進(jìn)行跟蹤測定。主要結(jié)果如下： (1)GB的過量積累影響灌漿期小麥的光合日變化。田間栽培條件下，在小麥灌漿期，轉(zhuǎn)基因小麥旗葉和野生型小麥旗葉的光合日變化呈雙峰曲線，兩者皆在10：00左右和16：00左右各有一個峰值。在12：00出現(xiàn)最低值，但T6中的峰值和谷值都明顯高

16、于野生型，其它氣體參數(shù)的日變化與光合速率基本一致。GB的過量積累明顯降低了峰值與谷值的差值。 (2)GB的過量積累能減輕田間栽培條件下小麥的光抑制。PSII的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和實(shí)際光化學(xué)效率(φPSII)的日變化和凈光合速率的日變化結(jié)果相似。GB的過量積累能減輕午間PSII光化學(xué)活性的降低，減輕小麥的光抑制，提高小麥的光合速率。這有利于提高小麥的產(chǎn)量，特別是在逆境條件下或者“干熱風(fēng)”發(fā)生的年份更有利。 (3)

17、GB的過量積累對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子有影響。GB的過量積累對小麥產(chǎn)量沒有明顯的影響(P>0.05)，但是轉(zhuǎn)基因T6小麥的穗籽粒數(shù)明顯(P<0.05)高于野生型石4185。推測GB的過量積累可能對小麥的發(fā)育有影響。 (4)在灌漿期與灌漿后期，與野生型相比轉(zhuǎn)基因小麥T6保持了較高的非光化學(xué)猝滅(NPQ)。灌漿后期“光合午休”加重，小麥旗葉PSII反應(yīng)中心的受抑制程度增加，而此時兩種基因型小麥的熱耗散能力均大大降低，兩基因型的NPQ在