外源NO供体SNP对小麦幼苗抗旱诱导及作用机理研究

论文摘要

小麦是我国第二大主要作物,其产量与品质直接关系到国计民生。随着全球气候变暖,干旱是限制农业生产的最主要因子之一,其中小麦抗旱生理生化与分子生物学研究将为解决上述问题提供有力的理论支撑。如何通过外源物质的调控提高小麦的抗旱性,是目前小麦抗旱机制研究的热点。本文采用15%聚乙二醇-6000 （PEG-6000）对小麦幼苗进行轻度干旱胁迫处理,并通过添加不同浓度的一氧化氮（nitric oxide, NO）供体硝普钠（sodium nitroprusside, SNP）,研究外源NO对提高小麦抗旱性的机理及其效应转导机制,为干旱地区和半干旱地区的粮食安全生产提供理论依据与技术支撑。主要研究结果如下:1.干旱胁迫下小麦幼苗叶中H+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性显著升高后迅速下降,丙二醛（MDA）和质量膜透性增加,株高、鲜重、干重以及相对含水量（RWC）降低;0.1 mmol?L-1 SNP和0.5 mmol?L-1 SNP可提高干旱胁迫下小麦幼苗叶中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性,降低超氧阴离子（O2-.）和过氧化氢（H2O2）水平,降低膜脂过氧化,稳定生物膜的结构和功能,H+-ATP酶和Ca2+-ATP酶也以可保持更高的活性;而1.0 mmol?L-1 SNP则加剧膜质过氧化,产生负效应。2.干旱胁迫下小麦幼苗叶片一氧化氮合酶（NOS）活性显著增加,且钙依赖型cNOS （CaM的组成型NOS）快速调控NO产生,但是随着胁迫时间的延长,不依赖钙iNOS （CaM的诱导型NOS）的活性在NOS活性比例缓慢增加,而硝酸还原酶（NR）产生NO的能力只占总NR提取物活性的很小一部分;0.1 mmol?L-1 SNP处理可显著提高干旱胁迫下小麦幼苗叶片NOS和NR活性,诱导NO水平提高,显著缓解膜脂过氧化;随着SNP浓度的提高,0.5 mmol?L-1 SNP和1.0 mmol?L-1 SNP逐渐出现抑制NO合成。用质膜Ca2+通道抑制剂LaCl3与SNP共处理,显著减弱或抵消SNP促进NO合成作用。SNP显著提高干旱胁迫下小麦幼苗叶片NO合成酶活性和NO含量,有效缓解膜的氧化损伤,而Ca2+参与SNP对干旱胁迫下小麦幼苗叶片NO水平的调控。3.干旱胁迫引起小麦幼苗叶片的光合色素含量增加,光合速率（Pn）则随胁迫时间的延长不断降低,而细胞间隙CO2浓度（Ci）随气孔导度（Gs）的下降而减少,处理12h后开始缓慢回升,证实胁迫初期气孔限制是光合速率下降的主要原因,后期则以非气孔限制为主。0.1 mmol?L-1 SNP可提高干旱胁迫下小麦幼苗叶片叶绿素a和叶绿素b含量和Pn,加剧Gs降低,进一步诱导气孔关闭,降低蒸腾速率（E）来延缓干旱胁迫下的水分蒸发;还能增加受旱小麦PsⅡ开放反应中心的比例（qp）,使更多的光能传递给PsⅡ反应中心,减少激发能用于非光化学反应的热耗散（NPQ）,从而促使更多的激发能用于光化学反应（ΦPSⅡ）。另外,叶片的气体交换参数（Pn、Gs）和叶绿素荧光参数（qp、NPQ ）对SNP的反应也表现出明显的浓度效应。低浓度SNP处理（0.1 mmol?L-1 SNP和0.5 mmol?L-1 SNP）明显改善了小麦叶片的光合性能从而促进干旱胁迫下小麦幼苗叶片游离氨基酸总量（TFA）、脯氨酸（Pro）和可溶性糖（SS）等渗透调节物质的积累,且增加了叶片的水势和渗透势。4.干旱胁迫下小麦幼苗叶片诱导蛋白含量明显增多,并于胁迫处理3 h出现一个26 kD蛋白,0.1 mmol?L-1 SNP不但在数量上诱导干旱胁迫蛋白增加（如分子量26kD、31kD和37kD等）,还可在时间上把蛋白诱导过程提前,如26 kD蛋白在胁迫1 h就急剧增加。NO专一清除剂血红蛋白的添加则清除了0.1 mmol?L-1SNP对干旱胁迫下小麦幼苗的诱导效应。同时,Ca2+还参与了SNP对干旱胁迫下小麦幼苗叶片诱导蛋白的调控,LaC13添加后小麦幼苗叶片的胁迫诱导蛋白则在蛋白含量上明显减少,同时在时间上推迟蛋白诱导过程。综上所述,0.1 mmol?L-1 SNP可显著缓解干旱胁迫造成的氧化损伤;随着浓度的提高,即0.5 mmol?L-1 SNP的缓解作用逐渐降低,首先NO合成受到抑制,其次是气孔导度（Gs）升高,气孔关闭受阻,进而影响其他的调控机制;1.0 mmol?L-1 SNP则加剧小麦幼苗生理代谢紊乱。因此,外源NO对小麦幼苗生长生理的调控具有一定的剂量效应,0.1 mmol?L-1 SNP对小麦幼苗生长生理的调控作用最明显。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 缩略词对照表
• 1 文献综述
• 1.1 干旱对我国农业发展的影响
• 1.2 小麦对干旱胁迫的响应机制
• 1.2.1 蛋白质合成减少
• 1.2.2 活性氧增加
• 1.2.3 光合作用降低
• 1.2.4 呼吸作用增强
• 1.2.5 渗透势（水势）降低
• 1.2.6 水分利用效率降低
• 1.2.7 生长发育受阻
• 1.2.8 内源激素代谢失调
• 1.3 小麦的抗旱机制
• 1.3.1 气孔调节
• 1.3.2 内源激素（ABA）调控
• 1.3.3 抗氧化酶活性增强
• 1.3.4 渗透调节物质累积
• 1.3.5 质膜功能蛋白的调控
• 1.3.6 胁迫诱导蛋白的合成
• 1.3.7 小麦干旱信号的识别与转导
• 1.4 一氧化氮的来源
• 1.4.1 NO 的理化性质
• 1.4.2 植物体内的NO 合成途径
• 1.5 一氧化氮与植物抗旱性
• 1.5.1 NO 促进种子萌发
• 1.5.3 NO 诱导气孔关闭
• 1.5.4 NO 调控光合荧光参数
• 1.5.5 NO 延缓水分丧失
• 1.5.6 NO 降低膜脂过氧化
• 1.5.7 NO 提高抗氧化酶活性
• 1.5.8 NO 促进有机渗透调节物质累积
• 1.5.9 NO 诱导干旱胁迫蛋白合成
• 1.5.10 NO 参与胁迫激素生成
• 1.5.11 NO 在植物中的胁迫信号转导
• 2 引言
• 3 材料与方法
• 3.1 供试材料
• 3.2 主要试剂
• 3.3 材料处理
• 3.3.1 不同浓度SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片生理生化特性的影响
• 2+在SNP 对干旱胁迫下小麦叶片NO 水平调控中的作用'>3.3.2 Ca²⁺在SNP 对干旱胁迫下小麦叶片NO 水平调控中的作用
• 3.4 测定方法
• 3.4.1 NO 含量和NOS 活性测定
• 3.4.2 硝酸还原酶（NR）活性测定
• 3.4.3 相对含水量测定
• +-ATPase 和Ca²⁺-ATPase 活性测定'>3.4.4 H⁺-ATPase 和Ca²⁺-ATPase 活性测定
• 3.4.5 叶绿素含量测定
• 3.4.6 光合参数测定
• 3.4.7 荧光参数测定
• 3.4.8 水势和渗透势测定
• 3.4.9 质膜相对透性测定
• 3.4.10 MDA 含量测定
• 3.4.11 SOD 活性测定
• 3.4.12 POD 活性测定
• 3.4.13 CAT 活性测定
• 2O₂ 提取和测定'>3.4.14 H₂O₂提取和测定
• 2^-产生速率测定'>3.4.15 O₂^-产生速率测定
• 3.4.16 脯氨酸（Pro）含量测定
• 3.4.17 游离氨基酸（TFA）总量测定
• 3.4.18 可溶性糖（SS）含量测定
• 3.4.19 聚丙烯酰胺凝胶垂直板电泳（SDS-PAGE）
• 4 结果与分析
• 4.1 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗生物学性状的影响
• 4.1.1 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗株高的影响
• 4.1.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗地上部鲜重的影响
• 4.1.3 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗地上部干重的影响
• 4.1.4 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片相对含水量的影响
• 4.1.5 小结
• 4.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片ATP 酶活性的影响
• +-ATP 酶活性的影响'>4.2.1 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片H⁺-ATP 酶活性的影响
• 2+-ATP 酶活性的影响'>4.2.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片Ca²⁺-ATP 酶活性的影响
• 4.2.3 小结
• 4.3 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片NO 水平的调控
• 4.3.1 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片NO 含量的影响
• 4.3.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片NOS 活性的影响
• 4.3.3 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片iNOS 和cNOS 活性的影响
• 4.3.4 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片NR 活性的影响
• 4.3.5 小结
• 4.4 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片光合特性的调控
• 4.4.1 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶绿素a 含量的影响
• 4.4.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶绿素b 含量的影响
• 4.4.3 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片净光合速率（Pn）的影响
• 4.4.4 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片气孔导度（Gs）的影响
• 2 浓度（Ci）影响'>4.4.5 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片的胞间CO₂浓度（Ci）影响
• 4.4.6 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片蒸腾速率（E）的影响
• 4.4.7 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）的影响
• 4.4.8 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片PSⅡ潜在光化学效率（Fv/Fo）的影响
• 4.4.9 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片PSⅡ实际光化学效率（ΦPSⅡ）的影响
• 4.4.10 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片光化学猝灭系数（qP）的影响
• 4.4.11 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片非光化学猝灭系数（NPQ）的影响
• 4.4.12 小结
• 4.5 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片膜脂过氧化的影响
• 4.5.1 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片MDA 含量的影响
• 4.5.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片质膜相对透性的影响
• 2^-产生速率的影响'>4.5.3 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶中O₂^-产生速率的影响
• 2O₂ 含量的影响'>4.5.4 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶中H₂O₂含量的影响
• 4.5.5 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶中SOD 活性的影响
• 4.5.6 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶中POD 活性的影响
• 4.5.7 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶中CAT 活性的影响
• 4.5.8 小结
• 4.6 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片渗透调节的影响
• 4.6.1 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶水势的影响
• 4.6.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片渗透势的影响
• 4.6.3 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片脯氨酸（Pro）含量的影响
• 4.6.4 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片游离氨基酸（TFA）含量的影响
• 4.6.5 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片可溶性糖（SS）含量的影响
• 4.6.6 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片Pro/TFA 的影响
• 4.6.7 小结
• 4.7 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片胁迫诱导蛋白的影响
• 4.7.1 干旱胁迫对小麦幼苗叶片诱导蛋白的影响
• 4.7.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片诱导蛋白的影响
• 4.7.3 外源NO 抑制剂对干旱胁迫下小麦幼苗叶片诱导蛋白的影响
• 4.7.4 小结
• 2+参与外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦叶片NO 水平调控'>4.8 Ca²⁺参与外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦叶片NO 水平调控
• 3 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中NO 含量的影响'>4.8.1 LaCl₃ 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中NO 含量的影响
• 3 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中NOS 活性的影响'>4.8.2 LaCl₃ 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中NOS 活性的影响
• 3 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中NR 活性的影响'>4.8.3 LaCl₃ 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中NR 活性的影响
• 3对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中H⁺-ATPase 活性的影响'>4.8.4 LaCl₃对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中H⁺-ATPase 活性的影响
• 3对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中Ca²⁺-ATPase 活性的影响'>4.8.5 LaCl₃对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中Ca²⁺-ATPase 活性的影响
• 3 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中胁迫诱导蛋白的影响'>4.8.6 LaCl₃对干旱胁迫下小麦幼苗叶片中胁迫诱导蛋白的影响
• 4.8.7 小结
• 5 结论与讨论
• 5.1 结论
• 5.2 讨论
• 5.2.1 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片ATP 酶活性的影响
• 5.2.2 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片NO 水平的调控
• 5.2.3 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片光合特性的调控
• 5.2.4 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片膜脂过氧化影响
• 5.2.5 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片渗透调节的影响
• 5.2.6 外源NO 供体SNP 对干旱胁迫下小麦幼苗叶片胁迫诱导蛋白的影响
• 2+参与外源 NO 供体 SNP 对干旱胁迫下小麦叶片 NO 水平调控'>5.2.7 CA²⁺参与外源 NO 供体 SNP 对干旱胁迫下小麦叶片 NO 水平调控
• 参考文献
• ABSTRACT
• 附录
• 1. 创新点
• 2. 博士期间科研成绩
• 3. 参加项目
• 4. 所获荣誉