盐胁迫对大豆光合作用和抗氧化系统的影响及其调控机制

论文摘要

盐胁迫是严重影响植物生长，导致农作物减产的主要非生物因子之一。由于我国耕地盐碱化的日趋严重，对我国的农作物生产已构成较大威胁，而大豆是我国主要的农作物，如何提高大豆耐盐能力的研究对我国农业的发展具有较大的现实意义。通过不对称体细胞杂交技术，已从耐盐低产的野生大豆（Glycine cyrtolova ACC547）和盐敏高产的栽培大豆（Glycine max Melrose）杂交后代中，筛选到一些耐盐高产的大豆株系，其中以稳定遗传的后代S111-9较为突出。这些不同的耐盐基因型大豆，为我们提供了良好的研究材料。本研究通过比较不同盐胁迫条件对这些大豆光合和抗氧化系统的调控机制，以阐明大豆光合器官耐盐的生理生化及分子机制，拓宽对大豆耐盐机理的了解。主要结果如下：栽培大豆（Melrose）和杂交大豆（S111-9）的光合速率随着盐胁迫浓度的升高而下降，但栽培豆中的下降幅度较杂交豆的大。S111-9中光合的下降与气孔导度（gs）及胞间CO2浓度（Ci）的下降成正相关，而Melrose中的光合下降只和gs成正相关。只有高浓度的盐胁迫才导致二种大豆PSII最大光化学效率（Fv／Fm）下降，但光化学猝灭（qP），PSII实际光化学效率（F PSII），相对电子传递速率（ETR）和Rubisco羧化活性在Melrose中受盐胁迫显著下降，而在S111-9中则无显著影响。盐胁迫导致S111-9和Melrose净光合速率下降的原因不同：前者主要是由于气孔因素引起的，而后者主要归因于非气孔因素。其中，盐胁迫导致Melrose光合关键酶Rubisco初始活力和总活力的显著下降是导致其净光合下降的主要原因。Melrose中Rubisco活性的下降与盐诱导的LSU表达的下降存在一定的正相关，而盐对rbcL转录水平的影响不大，说明其调控主要始于转录后水平。盐胁迫对栽培大豆（Melrose）的氧化损伤比对野生大豆（ACC547）的严重，具体表现在MDA，EL，O2-和H2O2等含量在栽培大豆中受盐胁迫增加的幅度较大。对同一植株而言，根中的增幅要大于叶片。一些活性氧清除剂如SOD，POD,CAT活性在野生大豆中受盐诱导上调的幅度较大，但CAT活性在二种不同耐盐大豆根中均没检测到。在栽培大豆中，除了高浓度盐对根中的SOD活性略有上调外，其它浓度盐胁迫对栽培大豆叶及根中抗氧化酶的影响都不明显。盐胁迫导致酶活性的上升伴随着相应同工酶酶谱的增加。这尤其表现在对野生大豆根中POD的诱导，POD活性在根中受诱导程度较叶中大，说明POD是大豆根中主要的H2O2清除剂。盐胁迫导致植物细胞内的离子平衡失调，野生大豆较栽培大豆有更好的调节离子平衡的能力。野生大豆能将吸收的Na+更多地积累在根部，从而减少叶中的Na+含量，而栽培大豆则将更多的Na+积累在叶，同时过多的Na+吸收影响其对K+的吸收，从而使K+／Na+比下降，而野生大豆在吸收Na+的同时还能维持K+的正常吸收。盐胁迫促进了栽培及野生大豆叶中的GR活性，却抑制了根中的GR活性。相比，野生大豆叶中的GR上升幅度较栽培豆的大，而根中的GR下降较栽培豆的小。盐胁迫促进了野生大豆叶及根中的MDHAR活性，在根中的促进作用更明显。相比，野生豆中的DHAR活性受盐胁迫的影响不大。在栽培大豆中，除根中的MDHAR活性因盐胁迫而显著下降外，盐处理对其叶的MDHAR活性，根及叶的DHAR活性均影响不大。相比盐对这些抗氧化酶的影响，盐对非酶抗氧化剂GSH、ASC及GSH／GSSG、ASC／DHA的影响更加显著。盐胁迫，尤其是胁迫后期对野生大豆的GSH、ASC及GSH／GSSG、ASC／DHA均有显著的促进作用，而在栽培大豆中，这些指标受盐胁迫后或保持不变，或略有下降，尤其是GSH／GSSG和ASC／DHA在根中的下降较为显著。说明这些非酶抗氧化剂在野生大豆耐盐中起着较为重要的作用。作用光关闭后瞬时荧光上升的变化表明，盐胁迫（50mM）对野生大豆围绕光系统I（CEF1）循环电子流的促进作用大于栽培大豆，盐胁迫导致野生大豆的最大光化学效率下降小于栽培豆。盐胁迫下野生大豆CEF1的上升伴随着盐对其离体类囊体膜LHCII磷酸化的促进。盐可诱导野生大豆离体类囊体膜LHCII暗中的磷酸化，并对其光下的磷酸化起促进作用，然而盐对栽培大豆离体类囊体膜的LHCII暗中磷酸化不起作用，盐甚至抑制其在光下的磷酸化。光合电子传递抑制剂（DCMU，DBMIB）能够抑制栽培大豆光和盐诱导的离体类囊体膜LHCII的磷酸化，但对野生大豆光及盐诱导的离体类囊体膜LHCII磷酸化的抑制作用较弱。这些结果表明盐胁迫能诱导野生大豆的光合机构向状态Ⅱ转换，有利于激发能在两个光系统间的分配，而栽培大豆则缺少这种调节机制。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 本文所用缩略词表
• 第一章 文献综述与研究意义
• 1.盐胁迫对植物的伤害
• 1.1 盐胁迫与活性氧
• 1.2 盐胁迫对光合作用的影响
• 1.3 盐胁迫与离子毒害
• 2.植物响应盐胁迫的有效机制
• 2.1 有效的抗氧化系统
• 2.2 有效的热耗散途径
• 2.3 CEF1在盐胁迫中的作用
• 2.4 状态转换在盐胁迫中的作用
• 2.5 有效的离子解毒方法
• 2.6 渗透调节物质在盐胁迫中的作用
• 2.本研究的目的意义和研究内容
• 第二章 不同耐盐性大豆响应盐胁迫的光合调控机制
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料与培养方法
• 1.2 叶片叶绿素含量的测定
• 1.3 叶片气体交换参数的测定
• 2响应曲线的测定'>1.4 叶绿素荧光参数和CO₂响应曲线的测定
• 1.5 叶片相对含水量的测定
• 1.6 叶片Rubisco活性的测定
• 1.7 用Western-blot方法检测rbcL的表达差异
• 1.8 叶片RNA的提取,反转录及rbcL基因的PCR检测
• 1.9 统计分析
• 2.结果与分析
• 2.1 盐胁迫对叶绿素含量的影响
• 2.2 盐胁迫对气体交换参数和叶片相对含水量的影响
• 2.3 盐胁迫对叶绿素荧光参数的影响
• 2.4 盐胁迫对Rubisco活性的影响
• 2.5 盐胁迫对Rubisco大亚基转录及表达的影响
• 3.讨论
• 4.本章小结
• 第三章 盐胁迫对不同耐盐大豆抗氧化系统的影响
• 1.材料与方法
• 1.1 材料培养
• 2O₂含量的测定'>1.2 H₂O₂含量的测定
• 2O₂的检测'>1.3 叶片中H₂O₂的检测
• 2^?)产生速率的测定'>1.4 超氧自由基(O₂^?)产生速率的测定
• 1.5 脂质过氧化程度的测定
• 1.6 电导率的测定
• 1.7 抗氧化酶的提取与活性测定
• 1.8 SOD,POD,CAT同工酶活性检测
• +、K⁺含量的测定'>1.9 Na⁺、K⁺含量的测定
• 1.10 蛋白含量测定
• 1.11 数据分析
• 2.结果与分析
• 2^?产生速率和H₂O₂的累积'>2.1 盐胁迫下不同耐盐大豆O₂^?产生速率和H₂O₂的累积
• 2.2 膜脂过氧化程度
• 2.3 盐胁迫下叶片渗透率的变化
• 2.4 盐胁迫对不同耐盐大豆SOD,POD,CAT活性的影响
• 2.5 盐胁迫对不同耐盐大豆SOD,POD,CAT同工酶的影响
• 2.6 盐胁迫对大豆体内离子含量的影响
• 3.讨论
• 4.本章小结
• 第四章 ASC-GSH循环在不同耐盐大豆响应盐胁迫中的作用
• 1.材料与方法
• 1.1 材料培养
• 1.2 酶液提取
• 1.3 APX活性测定
• 1.4 GR活性测定
• 1.5 MDHAR及DHAR活性测定
• 1.6 抗坏血酸和谷胱甘肽的提取
• 1.7 氧化型/还原型AsA含量的测定
• 1.8 氧化型/还原型GSH含量的测定
• 1.9 完整叶绿体的提取
• 1.10 细胞质及叶绿体中GR蛋白的Western检测
• 1.11 蛋白含量测定
• 2.结果与分析
• 2.1 盐胁迫对不同耐盐大豆APX和GR活性的影响
• 2.2 盐胁迫对不同耐盐大豆MDHAR及DHAR滑性的影响
• 2.3 盐胁迫对不同耐盐大豆ASC和DHA含量的影响
• 2.4 盐胁迫对不同耐盐大豆GSH和GSSG含量的影响
• 2.5 盐胁迫对不同耐盐大豆ASC/DHA和GSH/GSSG的影响
• 2.6 盐胁迫对不同耐盐大豆GR含量的影响
• 3.讨论
• 4.本章小结
• 第五章 CEF1和LHCII磷酸化在大豆耐盐中的作用
• 1.材料与方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验方法
• 2.结果与分析
• 2.1 作用光关闭后叶绿素荧光的瞬间上升
• v/F_m的影响'>2.2 盐胁迫对大豆F_v/F_m的影响
• 2.3 盐胁迫对大豆离体类囊体膜LHCII磷酸化的影响
• 2.4 ATP等外界磷酸化条件对离体类囊体膜LHCII磷酸化的影响
• 2.5 光合电子传递抑制剂对离体类囊体膜LHCII磷酸化的影响
• 3.讨论
• 4.本章小节
• 第六章 本论文的创新之处及今后工作的展望
• 1.本研究结论与创新点
• 2.未来可能的研究动态
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士期间主持的研究课题
• 致谢