氮信号调控番茄盐碱适应机理及SAMS和GSNOR基因的功能研究

【摘要】全球约有盐碱土8.31亿hm2,占可耕地面积的10%。其中,中性盐土占3.97亿hm2,碱性盐土占4.34亿hm2。关于中性盐对蔬菜作物的胁迫及调控研究已有大量报道,而碱性盐胁迫对蔬菜作物影响的研究报道相对较少。番茄(SolanumlycopersicumL.)是我国主要的茄果类蔬菜作物之一,在露地及设施中均广泛种植,属中等耐盐碱蔬菜作物。经过栽培技术革新或品种改良的番茄可用于我国盐碱地区的蔬菜产业发展。因而,明确盐、碱胁迫对番茄影响的差异,探明番茄的耐盐、碱机制,寻找并利用耐盐、碱基因,对盐碱地地区番茄可持续生产具有重要的意义。1番茄幼苗对NaCl和NaHCO3胁迫的生理响应差异随着营养液中NaCl和NaHCO3胁迫浓度的增加,番茄幼苗的生物量积累、光合作用、叶绿素含量、呼吸作用、氮代谢相关酶活性、矿质元素含量显著降低；Na+含量、Na+/K+比、ROS含量和MDA含量显著上升。与NaCl胁迫相比,相同浓度的NaHCO3胁迫更显著的引起了番茄幼苗的叶片失绿、氧化伤害和生长抑制。NaCl和NaHCO3胁迫均可诱导番茄根系积累酒石酸、草酸和苹果酸,而NaHCO3胁迫特异性的诱导番茄根系积累柠檬酸、琥珀酸和乳酸。低浓度NaCl和NaHCO3胁迫促使番茄根系呼吸电子传递途径由细胞色素氧化酶呼吸途径(p’Vcyt)转向交替氧化酶呼吸途径(pValt),并提高SOD、POD、CAT、APX、DHAR、GR活性及ASA和GSH含量。这是番茄抵抗NaCl和NaHCO3引起的ROS伤害的主要形式。但高浓度盐分下,NaHCO3较NaCl胁迫更严重的破坏了番茄的抗氧化系统,且对根系的破坏程度远大于叶片。综上所述,相同浓度的NaHCO3对番茄幼苗的胁迫程度大于NaCl,这与NaHCO3胁迫兼具Na+胁迫和高pH胁迫密不可分。番茄积累有机酸和提高抗氧化系统运行活性是其抵抗盐、碱胁迫的重要生理机制。2NaCl和NaHCOs胁迫下番茄根系的蛋白质组学研究通过比较NaCl和NaHCO3胁迫对番茄叶片和根系的生理响应差异,发现直接暴露于盐、碱环境中的根系对胁迫响应更为敏感。据此,采用同位素相对标记与绝对定量(iTRAQ)技术分析了50mMNaCl和NaHCO3胁迫3d后的番茄根系蛋白质组,以期更为系统和深入的阐明盐、碱迫的差异及番茄的耐盐、碱机制。以差异倍数大于1.2倍为界,NaCl胁迫诱导了70个蛋白上调表达,80个蛋白下调表达；而NaHCO3胁迫诱导了114个蛋白上调表达,83个蛋白下调表达。其中NaCl和NaHCO3胁迫下共同上调蛋白39个,共同下调蛋白30个。这说明番茄根系对NaCl和NaHCO3胁迫的响应既有共性又各具特点。Pathway富集分析表明,NaHCO3较NaCl胁迫更严重的抑制了番茄根系的氮代谢途径、呼吸及电子传递途径,并诱导脂肪酸组分氧化降解。同时,NaCl和NaHCO3胁迫均不同程度的诱导了抗氧化系统和病程相关蛋白的上调表达。另外,番茄根系在应对NaCl和NaHCO3胁迫上采用不同的形式调控ABA和Ca2+信号转导,以及离子跨膜转运等代谢途径。通过iTRAQ技术,本研究发现NaCl和NaHCO3胁迫对番茄的影响及差异主要集中在物质和能量代谢、信号转导、ROS代谢、离子转运和病程防御五个方面。3外源PAs和NO对碱性盐胁迫下番茄的缓解效应及信号转导途径研究PAs和NO作为植物内源信号分子,在调控植物非生物胁迫耐受性中发挥着重要作用。本研究表明,外源PAs和NO均可缓解碱性盐胁迫对番茄幼苗的伤害。这与PAs和NO可调控矿质营养平衡、ROS代谢及保护光合机构密切相关。进一步研究表明,PAs和NO可以相互诱导积累。并且NO清除剂(cPTIO)可以降低PAs的保护功能,而PAs合成抑制剂(MGBG)对NO诱导的保护效应影响较小。为了深入阐明PAs和NO诱导的碱性盐胁迫保护机制,本文通过qRT-PCR技术分析了胁迫相关基因的表达模式。PAs和NO能显著提高质膜Na+/H+反向转运体(SISOS1)、液泡膜Na+/H+反向转运体(SINHX1和SINHX2)、Na+运载体、及ROSsMAPK和Ca2+等信号相关元件和胁迫相关转录因子的表达。这些变化在调控植物胁迫适应性中发挥着重要作用。4超表达SISAMS1基因提高番茄碱性盐抵抗能力的机理研究SAMS是控制PAs和乙烯代谢的共同前体物质—SAM生物合成的关键酶。本研究采用农杆菌介导法将番茄SISAMS1基因导入野生型番茄。超表达SISAMS1基因显著提高了番茄的碱性盐抵抗能力,主要体现在其调控矿质营养平衡,维护光合机构稳定,降低ROS伤害等。活体和离体试验均表明超表达SISAMS1基因诱导的碱性盐胁迫保护机制主要依赖于Spd和Spm的积累,以及其下游的PAO异化分解PAs产生的H2O2信号。长期弱碱性盐胁迫下,采用超表达SISAMS1基因的番茄作为砧木能够提供强健的根系,增加PAs的积累和向地上部接穗的运输,提高元素吸收和利用,降低Na+向地上部接穗的转运,因而可以提高果实的产量。5超表达SISAMS1基因提高番茄耐旱性和耐盐性的机理研究本研究表明,超表达SISAMS1基因也可显著提高番茄幼苗的耐旱性和耐盐性。这一方面依赖于超表达SISAMS1基因可提高胁迫条件下番茄幼苗的光合能力和抗氧化能力,另一方面依赖于超表达SISAMS1基因可显著降低番茄叶片的水分耗散。进一步研究表明,SlSAMS1基因是一个ABA响应基因,超表达SlSAMS1基因有助于放大干旱胁迫诱导的ABA信号,且PAO异化PAs产生的H2O2信号在这一响应过程中亦发挥着重要作用。本研究表明,超表达SlSAMS1基因是通过介导ABA诱导的气孔关闭,调节渗透胁迫下番茄叶片的水分耗散来提高番茄耐旱性的。6过量、抑制表达SlGSNOR基因对番茄植株耐盐碱性的影响GSNOR是控制植物内源NO平衡的关键酶,高活性的GSNOR通常降低内源NO水平,而低活性的GSNOR则诱导内源NO含量的上升。本研究采用农杆菌介导法向番茄中遗传转化了SlGSNOR基因,并获得过量和抑制表达SlGSNOR基因的转基因番茄株系。通过耐盐碱性评估,本研究表明超表达SlGSNOR基因可提高番茄幼苗的碱性盐抵抗能力,而抑制表达SlGSNOR基因则降低番茄幼苗的碱性盐抵抗能力。这与差异表达SlGSNOR基因对番茄内源ROS代谢的影响密切相关,说明植物RNS和ROS之间存在着密切的信号转导。但RNS和ROS是作为响应逆境胁迫的信号调控者,还是作为逆境胁迫诱导的破坏者,是受其含量和内源代谢平衡影响的。
【作者】巩彪；
【导师】王秀峰；史庆华；
【作者基本信息】山东农业大学，蔬菜学，2014，博士
【关键词】番茄；盐碱胁迫；一氧化氮；多胺；硫代腺苷甲硫氨酸合酶；硫代亚硝基谷胱甘肽还原酶；

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