瓠瓜砧木嫁接提高西瓜幼苗耐盐性的生理机制研究

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随着我国设施园艺的迅速发展,设施栽培中的土壤次生盐渍化问题日益突出,已成为限制蔬菜产业发展的主要障碍。西瓜(CitrulluslanatusMansfeld)是世界性的重要瓜类蔬菜作物,也是我国栽培面积大、种植范围广的主要瓜类蔬菜之一。近年来,土壤盐渍化严重影响了西瓜产量和品质,阻碍着西瓜设施栽培的可持续发展。瓠瓜砧木嫁接是提高西瓜耐盐性,克服土壤盐渍化的一项有效的措施。本研究采用营养液栽培,以瓠瓜‘超丰抗生王’(LagenariasicerariaStandl.)为砧木,小型西瓜‘秀丽’为接穗,探讨了100mMNaCl胁迫下瓠瓜砧木嫁接提高西瓜幼苗耐盐性的蛋白质组学基础及其相关的生理机制。主要结果如下:  对照条件下,瓠瓜砧木嫁接可促进西瓜幼苗的生长,提高叶片可溶性蛋白含量,改变叶片可溶性蛋白表达图谱,分子量约为109.6、107.4、69.1、31.3和14.9kDa的表达明显增强;盐胁迫下,瓠瓜砧木嫁接苗具有较高的生物量和可溶性蛋白含量,自根嫁接苗和砧木嫁接苗叶片可溶性蛋白SDS-PAGE图谱有明显差异,表明砧木嫁接苗可改变西瓜植株可溶性蛋白的表达,使得自根嫁接苗和砧木嫁接苗在盐胁迫下具有一些不同的蛋白响应机制,提高了西瓜幼苗的耐盐性。  NaCl胁迫下西瓜自根嫁接苗和瓠瓜砧木嫁接苗叶片蛋白质组学研究结果显示有40个差异蛋白对砧木嫁接和/或盐胁迫做出了响应,这些蛋白质与卡尔文循环、氨基酸生物合成、碳代谢和能量代谢、活性氧防御、激素生物合成和信号转导有关,且大多数受砧木嫁接上调或者受盐胁迫调节,与卡尔文循环、氨基酸、赤霉素和类胡萝卜素以及过氧化物酶体类生物合成、糖酵解途径和三羧酸循环有关的关键酶表达的增强可能对砧木嫁接苗耐盐性的提高起到了重要的作用;另外,富合亮氨酸的蛋白激酶和磷脂酶可能在响应砧木嫁接和盐胁迫的胞内胞外信号转导方面起到了重要的作用。  NaCl胁迫下,西瓜自根嫁接苗和砧木嫁接苗净光合速率(Pn)的下降均由气孔限制和非气孔限制共同引起。自根嫁接苗的非气孔限制更为严重,光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心受损,类囊体基粒片层结构紊乱,核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)初始活性、最大羧化效率(Vc,max),核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)最大再生能力(Jmax)和RuBP再生关键酶基因,包括核酮糖-3-磷酸异构酶(TPI)、果糖-1,6-二磷酸醛缩酶(FBPA)、景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBPase)和核酮糖-5磷酸激酶(PRK)等基因的转录水平被下调,光合碳同化进程受到了严重抑制;砧木嫁接苗通过维持较高的Rubisco初始活性、Vc,max和Jmax,增加RBCL蛋白水平,具有较高的TPI、FBPA、SBPase和PRK的表达水平,维持了较高的CO2固定效率,保证了卡尔文循环所需RuBP的持续再生,因而具有较高的Pn,可缓解盐胁迫对西瓜幼苗光合速率的抑制。  与西瓜根系相比,瓠瓜砧木根系具有更高的NO3-吸收速率,表现出更强的氮(N)素吸收能力。NaCl胁迫下,自根嫁接苗叶片中硝态氮、铵态氮含量显著上升,NO3-吸收速率和叶片总N含量显著下降,硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合酶(GOGAT)活性明显受到抑制;与之相反,砧木嫁接苗叶片中硝态氮含量、GS和GOGAT活性下降,铵态氮、总N含量和NR活性明显提高。盐胁迫下,砧木嫁接苗叶片中铵态氮含量明显低于自根嫁接苗,谷氨酸脱氢酶(GDH)活性和同工酶表达均明显高于自根嫁接苗。这些结果说明,砧木嫁接促进了西瓜幼苗N素的吸收,提高了氮素同化关键酶活性,在逆境环境下西瓜幼苗铵同化GS/GOGAT途径受阻时,可利用GDH途径促进铵态氮的转化,缓解铵毒害。  NaCl胁迫下,瓠瓜砧木嫁接苗能将大部分Na+隔离在瓠瓜根系中,维持西瓜植株体内较高的K+含量和K+/Na+比值,有效防止叶片离子毒害的发生。NaCl胁迫显著改变西瓜幼苗体内内源激素的合成、运输、降解和分布,破坏了它们的稳态平衡。NaCl胁迫下,自根嫁接苗和砧木嫁接苗均能增加叶片脱落酸(ABA)含量来调节气孔导度(Gs),减少蒸腾损失;与自根嫁接苗相比,瓠瓜砧木嫁接苗不同组织中均具有较高的吲哚-3-乙酸(IAA)含量以及玉米素和玉米素核苷(Z+ZR)总量,对于NaCl胁迫下西瓜幼苗细胞的增长和分化、叶绿体的发育以及离子的稳态平衡可能起到了积极的作用;NaCl胁迫下砧木嫁接苗植株叶片内源激素比例较为稳定,提高胁迫条件下西瓜幼苗的适应性,表现出较高的耐盐性。
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