水杨酸对不同耐寒型玉米种子和幼苗抗寒性的调控作用研究

【摘要】玉米是世界范围内种植面积最广的作物之一。玉米在早春播种时常会遭遇低温逆境,从而严重影响种子萌发和幼苗生长,最终影响产量。因此,提高玉米的耐寒性具有重要意义。水杨酸(SA)是一种重要的植物激素,它在调控植物的耐寒性方面发挥了重要作用。本文以两个不同耐寒型玉米自交系黄C(耐寒型)和Mo17(低温敏感型)为材料,开展了玉米种子和幼苗内SA调控和耐寒性关系的研究。主要研究结果如下：研究了低温胁迫下两个玉米自交系幼苗内源SA、抗氧化物酶活性以及丙二醛(MDA)含量的变化。结果表明,低温胁迫下,两个玉米自交系的幼苗根和叶部内源游离态和结合态SA含量均上升,MDA含量显著增加。在黄C中,低温胁迫增加了四种抗氧化物酶即抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)和过氧化物酶(POD)的活性。而在Mo17中,只有CAT和APX的活性增加。采用逐步回归分析的方法研究了低温胁迫下玉米幼苗内源SA与MDA含量及抗氧化物酶活性的关系。结果表明根部MDA含量与总SA含量呈显著正相关(R2=0.9557,P=0.0224)；叶部MDA含量则与结合态SA含量相关(R2=0.9948,P=0.0458)。总SA含量分别与根部的APX活性(R2=0.9986,P=0.002)、叶部的APX活性(R2=0.9274,P=0.037)及叶部的GR活性(R2=0.8645,P=0.0221)呈正相关。这些结果说明低温胁迫能够促进玉米幼苗内源SA的生物合成,而幼苗内脂质过氧化程度以及抗氧化物酶活性可由内源SA的含量进行预测。抗氧化物酶活性的增加,尤其是根部,可能对提高玉米幼苗的耐寒性起到了一定的作用。评估了一种具有生物活性的SA类似物(乙酰水杨酸,ASA)和两种非生物活性类似物(4-氨基水杨酸和4-氨基苯甲酸)以及SA在诱导玉米耐寒性方面的作用。四种化合物浸种处理对玉米种子的发芽无显著影响；然而,SA或ASA浸种处理显著增加了低温胁迫下玉米幼苗的根长、苗高以及根苗干重。SA或ASA水培处理显著降低了低温胁迫下两个玉米自交系根和叶部丙二醛、过氧化氢和超氧阴离子的积累；增加了光合色素(叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)的含量。然而4-氨基水杨酸和4-氨基苯甲酸处理对低温胁迫造成的幼苗生长阻碍无显著缓解效果。这些结果表明SA和ASA能显著提高玉米的耐寒性；而4-氨基水杨酸和4-氨基苯甲酸则不能诱导耐寒性。因此认为只有具有生物活性的SA类似物才能诱导玉米的耐寒性。研究了低温胁迫下外源施用SA对两个玉米自交系的生理特性以及过氧化氢酶基因表达的影响。0.5mM的SA水培处理显著降低了低温胁迫下两个玉米自交系幼苗根和叶部MDA和H2O2含量的积累。SA预处理显著提高了低温胁迫下玉米幼苗的CAT、APX和SOD的活性,降低了POD的活性。低温胁迫下玉米幼苗根和叶部的三种Cat基因对外源SA的响应各不相同。SA处理促进了Mo17根和叶部的Cat1基因表达,但却抑制了黄C幼苗中该基因的表达。同时,SA处理显著促进了两个玉米自交系幼苗根和叶部的Cat2基因的表达。然而,SA处理对两个玉米自交系幼苗根和叶部Cat3基因表达的影响则不一致。外源SA处理显著提高了低温胁迫下玉米幼苗的干鲜重。认为外源施用SA主要是通过增加玉米幼苗APX、SOD和CAT的活性以及Cat2基因的表达,提高了玉米植株对低温胁迫的耐受性。研究了外源施用SA及其合成酶抑制剂对低温胁迫下玉米幼苗内源SA含量、脂质过氧化程度、抗氧化酶系统和植株生长的影响。SA处理显著降低了幼苗MDA含量,提高了幼苗的抗氧化物酶(SOD、CAT、POD、APX)苯丙氨酸裂解酶(PAL)和苯甲酸2-羟化酶(BA2H)的活性,促进了低温胁迫下PAL基因的表达,增加了内源SA含量,缓解了低温胁迫对幼苗生长的影响；抑制剂氨基茚磷酸(AIP)和氨基苯并三唑(ABT)处理增加了幼苗叶片的MDA含量和内源SA含量,降低了幼苗的抗氧化物酶活性及PAL和BA2H的活性,抑制了低温胁迫下PAL基因的表达,并加剧了低温胁迫对玉米幼苗生长的阻碍作用。同时施用SA和抑制剂处理后的MDA含量低于单独喷施抑制剂处理,而酶活性及植株的生长情况均高于单独抑制剂处理,表明SA能够在一定程度上恢复抑制剂处理对植株的损害作用。这些结果表明外源SA能够提高玉米幼苗的耐寒性,由PAL和BA2H参与的SA生物合成途径是植物获得耐寒性的必要条件。通过外源施用SA、腐胺(Put)、SA合成酶抑制剂和多胺合成酶抑制剂处理,研究了低温胁迫下玉米幼苗内源SA、多胺含量的变化以及各处理对玉米幼苗生长的影响。Put处理显著提高了低温胁迫下玉米幼苗的内源SA含量,多胺合成酶抑制剂二氟甲基鸟氨酸(DFMO)和D-精氨酸(D-Arg)处理显著降低了低温胁迫下幼苗内源SA含量。外源施用SA和Put均显著增加了幼苗叶片内源Put的含量,AIP处理增加了两个玉米自交系内源Put的含量,ABT处理则只增加了Mo17的Put含量。两种多胺抑制剂处理显著降低了Put和Spd的含量。外源SA和Put处理均显著降低了低温胁迫下玉米幼苗内源亚精胺(Spd)的含量,但增加了恢复生长后的内源Spd含量。SA和Put处理均显著缓解了低温胁迫对玉米幼苗生长的抑制,而四种抑制剂处理均在一定程度上加重了低温胁迫对幼苗生长的阻碍。这些结果表明外源Put能促进低温胁迫下玉米幼苗内源SA含量的积累,多胺抑制剂处理通过影响内源Put的含量进而影响了SA的积累；外源SA和Put处理均能通过增加内源Put的含量,从而由Put转化为Spd,最终增加内源Put和Spd的含量。因此,研究认为SA和Put均能够诱导植物的耐寒性,且两者之间能够相互调节,共同发挥作用。
【作者】王洋；
【导师】胡晋；
【作者基本信息】浙江大学，作物学，2014，博士
【关键词】低温胁迫；多胺；多胺抑制剂；耐寒性；水杨酸；水杨酸抑制剂；玉米自交系；

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