外源根施甜菜碱对烟草叶片类囊体膜组分及功能的改善作用

论文摘要

以生产上种植的烟草（Nicotiana tabacum L.）品种大黄金5210为材料,采用基质育苗方式,于苗期（七叶期）根施2.0 mM甘氨酸甜菜碱（Glycinebetaine, GB）,研究外源GB对低温胁迫条件下烟草叶片类囊体膜组分和功能的影响,检测指标包括GB含量、光合速率、类囊体膜脂肪酸相对含量、低温诱导的多肽含量、ATP合成酶活性、紫黄质脱环氧化酶（VDE）活性、叶绿体色素含量与比例、PSII光化学活性、依赖于叶黄素循环的非辐射能量耗散和抗氧化酶活性等。主要结果如下:1.外源甜菜碱对低温胁迫下烟草叶片类囊体膜组分的改善（1）维持类囊体膜脂不饱和脂肪酸的相对含量低温胁迫导致叶片类囊体膜中单半乳糖甘油二酯（MGDG）、双半乳糖甘油二酯（DGDG）、硫代异鼠李糖甘油二酯（SQDG）、磷脂酰胆碱（PG）中亚麻酸（18:3）相对含量显著下降;根施GB能稳定低温胁迫下类囊体膜脂不饱和脂肪酸相对含量。同时,低温导致类囊体各类脂不饱和度下降,根施GB能够相对提高各类脂的不饱和指数。说明GB具有稳定烟草叶片类囊体膜类脂组分的作用,这有利于维持胁迫条件下类囊体膜的流动性,改善其功能。（2）对类囊体膜蛋白（或蛋白复合体）含量和活性的影响低温处理诱导类囊体膜33-66 kDa多肽含量的增加,膜上Ca2+-ATP酶与Mg2+-ATP酶活性下降,VDE活性受到抑制,放氧复合体受到伤害;根施GB可增加诱导多肽的含量,能维持相对较高的上述功能蛋白（或蛋白复合体）的活性。为研究GB的保护VDE酶的机制,对离体的VDE酶进行不同温度处理,发现温度胁迫下GB保护该酶的活性,正常温度下没有作用。GB对VDE酶的保护对于提高逆境条件下依赖于叶黄素循环的非辐射能量耗散,缓解叶片光抑制和提高光保护有重要的意义。（3）对叶绿体色素含量和比例的影响叶绿素含量在胁迫期间下降,类胡萝卜素含量上升;叶绿素a与叶绿素b,叶绿素与类胡萝卜素之间的比例发生了变化;叶黄素循环中（A+Z）/（V+A+Z）的变化对于叶黄素循环介导的光保护机制起主要作用。低温胁迫下,根施GB能够缓解叶绿素含量的下降,改善叶绿素a与叶绿素b,叶绿素与类胡萝卜素之间的比例,提高（A+Z）/（V+A+Z）比值,有利于提高叶片的光保护能力。2.外源甜菜碱对低温胁迫下烟草叶片类囊体膜功能的保护作用（1）对PSII电子传递的影响低温胁迫造成PSII的最大光化学效率和实际光化学效率下降,叶绿素a快速荧光动力学曲线发生变化,O-J相之间出现K相,不但电子传递的供体侧受到伤害,而且受体侧的电子传递也受到影响。根施GB在胁迫条件下能维持相对较高的最大光化学效率和实际光化学效率,减少低温对PSII电子传递供体侧和受体侧的影响,能够有效缓解光抑制的程度。（2）对激发能分配的影响低温胁迫使得激发能向PSI的分配减少而向PSII的分配增加,严重影响了激发能在两光系统的分配,导致PSII激发能压力上升,增加了PSII发生光抑制甚至光破坏的几率。外源GB处理使得激发能向两光系统间的分配相对平衡,减轻了PSII激发能压力。（3）对依赖于叶黄素循环的非辐射能量耗散的影响在低温胁迫下,NPQ的变化与最大光化学效率、叶黄素循环中各组分比例均出现显著的下降。根施GB能够缓解NPQ下降的程度。为了证实在本研究中NPQ是否是主要的能量耗散途径,在叶片中引入DTT抑制VDE酶活性从而抑制叶黄素循环过程。加入DTT后出现更低的NPQ和更严重的光抑制,根施GB不能消除DTT引起的NPQ大幅下降和严重的光抑制的发生。结果表明,低温胁迫下依赖于叶黄素循环的非辐射能量耗散可能是过剩激发能耗散的主要途径。根据生物膜能量流动模型分析了根施GB对类囊体膜中光合机构能量流动的影响。低温导致了单位反应中心能量吸收和捕获的增加,但用于电子传递的能量减少,大部分的能量被耗散;外源GB使得单位反应中心用于电子传递的能量增加。这与外源GB在低温胁迫下提高PSII电子传递和光化学效率的结果一致。（4）对叶片中抗氧化酶活性的影响试验结果表明,低温导致四种抗氧化酶活性下降,而GB能显著的提高SOD、CAT和APX活性。特别是一些结合在类囊体膜上的抗氧化酶,如APX的活性。这对于缓解光抑制,保护类囊体膜的组分和功能,维持逆境下的光合作用具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 甜菜碱的抗逆生理特性
• 1.1.1 抗冷性
• 1.1.2 耐盐性
• 1.1.3 抗旱性
• 1.1.4 抗热性
• 1.2 甜菜碱保护作用的机理
• 1.2.1 GB 维持膜完整性
• 1.2.2 GB 对蛋白质的保护作用
• 1.2.3 GB 对光合机构的保护作用
• 1.2.4 GB 影响其他相容性物质在植株体内的含量和分布
• 1.2.5 GB 对基因表达的影响
• 1.3 甜菜碱的应用
• 1.3.1 GB 的生物合成
• 1.3.2 GB 生物合成的基因工程
• 1.3.3 转基因植株中存在的问题
• 1.3.4 外源GB 的应用
• 1.4 本研究的目的和意义
• 2 材料与方法
• 2.1 供试材料
• 2.2 材料处理
• 2.2.1 甜菜碱预处理
• 2.2.2 胁迫处理
• 2.3 指标测定
• 2.3.1 甜菜碱含量测定
• 2.3.2 净光合速率的测定
• 2.3.3 相对电导率的测定
• 2.3.4 丙二醛（MDA）含量的测定
• 2.3.5 叶绿体的制备
• 2.3.6 类囊体膜的制备
• 2.3.7 类囊体膜极性脂的提取和分离
• 2.3.8 类囊体膜极性脂不饱和度分析
• 2.3.9 类囊体膜多肽SDS-PAGE 电泳分析
• 2.3.10 叶绿体Ca2+-ATPase 和Mg2+-ATPase 活性测定
• 2.3.11 紫黄质的提取及纯化
• 2.3.12 紫黄质脱环氧化酶的提取及活性测定
• 2.3.13 叶绿素含量测定
• 2.3.14 叶黄素组分的测定
• 2.3.15 叶绿素a 荧光参数的测定
• 2.3.16 快速叶绿素a 荧光诱导动力学分析: JIP-test
• 2.3.17 抗氧化酶活性的测定
• 2.3.18 二硫苏糖醇处理
• 2.4 试验数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 根施甜菜碱对烟草叶片光合速率的影响
• 3.1.1 对烟草叶片GB 含量的影响
• 3.1.2 对叶片相对电导率和MDA 含量的影响
• 3.1.3 对烟草叶片光合速率的影响
• 3.2 根施甜菜碱对烟草叶片类囊体膜组分的影响
• 3.2.1 对烟草叶片类囊体膜脂组分的影响
• 3.2.1.1 对类囊体膜脂肪酸组分的影响
• 3.2.1.2 对类囊体各膜脂不饱和指数的影响
• 3.2.2 根施甜菜碱对烟草叶片类囊体膜蛋白组分的影响
• 3.2.2.1 对类囊体膜多肽的影响
• 3.2.2.2 对类囊体膜Ca2+-ATPase 和Mg2+-ATPase 活性的影响
• 3.2.2.3 对烟草叶片紫黄质脱环氧化酶活性的影响
• 3.2.2.4 不同温度条件下外源GB 对提取的VDE 酶活性的影响
• 3.2.3 根施GB 对烟草叶片叶绿体色素的影响
• 3.2.3.1 对叶绿素含量和比值的影响
• 3.2.3.2 对类胡萝卜素含量和比值的影响
• 3.2.3.3 对叶黄素循环各组分之间比例的影响
• 3.3 根施甜菜碱对烟草叶片类囊体膜功能的影响
• 3.3.1 根施GB 对PSII 光化学活性的影响
• 3.3.1.1 对PSII 光化学效率的影响
• 3.3.1.2 对快速叶绿素a 荧光动力学曲线的影响
• 3.3.1.3 对PSII 电子传递的影响
• 3.3.2 根施GB 对激发能分配的影响
• 3.3.2.1 对激发能在两光系统间分配的影响
• 3.3.2.2 对激发能分配不平衡系数的影响
• 3.3.2.3 对天线捕获效率的影响
• 3.3.3 根施GB 对依赖于叶黄素循环的非辐射能量耗散的影响
• 3.3.3.1 对NPQ 的影响
• 3.3.3.2 DTT 存在条件下GB 对NPQ 的影响
• 3.3.4 根施GB 对光合机构能量流动的影响
• 3.3.5 根施GB 对抗氧化酶活性的影响
• 4 讨论
• 4.1 烟草对根施甜菜碱的吸收积累
• 4.2 根施甜菜碱对烟草类囊体膜组分的影响
• 4.2.1 对类囊体膜脂组分的影响
• 4.2.2 对类囊体膜蛋白的影响
• 4.2.3 对叶绿体色素的影响
• 4.3 根施甜菜碱对烟草类囊体膜功能的影响
• 4.3.1 对PSII 光合电子传递的影响
• 4.3.2 对激发能分配的影响
• 4.3.3 对依赖于叶黄素循环的非辐射能量耗散的影响
• 4.3.4 对抗氧化酶活性的影响
• 5 结论
• 5.1 烟草可吸收并积累外源甜菜碱
• 5.2 根施甘氨酸甜菜碱可在低温胁迫条件下维持类囊体膜组分的相对稳定
• 5.3 根施甘氨酸甜菜碱在低温胁迫条件下改善类囊体膜的功能
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间论文写作与发表情况