抗坏血酸调控番茄盐适应性机制

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【目的】土壤盐渍化是限制新疆加工番茄生长发育的主要障碍因子之一。盐胁迫引起离子毒害、渗透胁迫和氧化胁迫,破坏光合机构,导致新疆加工番茄光合作用和抗性下降,作物产量、品质等问题日益突出。因此,研究番茄盐适应性机制具有十分重要的科学和现实意义。抗坏血酸(As A)作为氧化还原反应的电子供体和抗氧化剂,在植物生长发育及抗逆中发挥重要作用。前期研究表明,适宜浓度的As A能够提高番茄幼苗的耐盐性并促进其生长,但具体机制尚不明确。此外,研究表明一氧化氮(NO)作为重要的信号分子,在提高植物抗性的同时往往伴随着内源As A水平的提高。在NO产生的的非酶促途径中,As A可以与NO2-反应生成NO。说明NO与As A之间存在一定的相互关系。因此,本研究一方面对As A提高番茄盐适应性机制进行解析,另一方面也探究了As A提高盐适应性过程中与NO的关系。【方法】为解析As A调控番茄盐适应性机制,本试验以加工番茄(Solanum lycopersicum L.)‘里格尔87-5’为试材,采用营养液栽培,在100 m M Na Cl模拟盐胁迫处理条件下,通过叶面分别喷施0.5 m M As A(NA处理)、0.25 m M LYC(石蒜碱,一种As A合成抑制剂)(NL处理)和LYC+As A(NLA处理)来构建不同内源As A水平,探讨不同处理对离子稳态、渗透调节、氧化还原(redox)状态及光合荧光参数的影响。并对盐胁迫及NA处理下的番茄叶片开展转录组、靶向代谢组学和蛋白泛素化组学进行分析;为解析As A和NO在调控番茄盐适应性中的关系,利用As A合成抑制剂LYC(0.25 m M)和NO清除剂PTIO(2-苯基-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-3-氧代-1-氧,0.05 m M),通过盐胁迫下叶面喷施As A、SNP(硝普钠,NO供体)、LYC、PTIO、PTIO+As A和LYC+SNP设置不同处理,研究As A和NO在调控离子稳态、渗透调节、redox状态、光合荧光参数上的作用及其相互关系。【结果】(1)外源As A显著提高了Na Cl胁迫和NL处理下番茄幼苗叶片L-半乳糖酸-1,4-内酯脱氢酶(Gal LDH)和L-半乳糖脱氢酶(Gal DH)的活性和基因表达,提高了内源As A含量;外源As A通过介导SOS途径调控多个离子转运体来重建细胞内离子稳态,并提高地上部对K+、Ca2+和Mg2+的选择运输能力,促进Na+和Cl-外排和区域化,缓解盐胁迫带来的离子毒害。通过增强脯氨酸脱氢酶(Pro DH)的酶活和基因表达以及抑制吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和鸟氨酸转氨酶(OAT)活性及转录水平以降低叶片中过量的Pro含量从而缓解渗透胁迫。通过提高抗氧化酶和As A-GSH循环关键酶活性及基因表达,有效清除活性氧(ROS),减轻膜脂过氧化,缓解氧化胁迫。此外,转录组分析结果表明:As A通过调控转录因子和基因表达参与调控激素信号转导,降低了脱落酸(ABA)和1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)含量,增加了茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)、细胞分裂素(CKs)、赤霉素(GA)和吲哚乙酸(IAA)的含量。(2)外源As A可显著提高Na Cl胁迫和NL处理下番茄幼苗叶片中光合色素含量(Chl和Car)以提高对光能的吸收转化,并通过增大气孔开度和降低气孔密度来提高盐胁迫条件下叶片气体交换效率从而提高加工番茄幼苗叶片的净光合速率(Pn);As A处理缓解了盐胁迫条件下PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、P700最大氧化状态(Pm)、非光化学猝灭系数(NPQ)、PSII和PSI的有效量子产量[Y(II)和Y(I)]值的降低,通过恢复两个光系统之间的激发能平衡,维持了高水平的光合碳还原的电子通量[Je(PCR)],激活了围绕PSI的环式电子传递(CEF)来缓解盐胁迫对番茄幼苗PSI和PSII的光抑制;此外,As A能提高PSII受体侧的电子传递活性(φEo和ψo),增加PQ库的大小(Sm),降低了QA被还原的最大速率(Mo)。同时,As A抵消了盐胁迫(无论是否喷施LYC)对PSII单位反应中心(RCs)活性密度,吸收光能的利用和耗散的消极影响。(3)采用泛素化Label-free定量蛋白质组学技术,在Control、Na Cl处理和NA处理的番茄叶片中共鉴定到489个泛素化蛋白,843个泛素化肽段和972个赖氨酸泛素化位点,其中有446个泛素化蛋白的848个赖氨酸泛素化位点被定量。通过对NA_vs_Na Cl比较组分析可知,As A使Na Cl胁迫下97个差异泛素化肽段上调,98个差异泛素化肽段下调。这些差异泛素化肽段对应的蛋白参与抗坏血酸和醛酸代谢、光合生物固碳作用、谷胱甘肽代谢和光合作用等多条代谢通路。分析发现,外源施加As A可以显著下调抗坏血酸和谷胱甘肽代谢中相关蛋白的泛素化水平,此外,还参与调控光合作用和生物固碳作用相关蛋白的泛素化水平。(4)在盐胁迫下,外源As A可以显著提高内源NO水平,而NO也可以显著提高内源As A水平,说明As A与NO之间存在相互应答。单独喷施As A和SNP均能通过介导SOS途径维持细胞内离子稳态;调节Pro合成代谢缓解渗透胁迫;提高抗氧化酶活性,清除ROS,减轻氧化胁迫;提高热耗散,维持激发能分配平衡,激活CEF光保护机制,有效缓解光抑制。但外源施加LYC和PTIO则加重盐胁迫对植株的伤害。并且PTIO对As A诱导的保护效应影响较小,而LYC可以降低SNP的保护功能。【结论】外源As A通过介导内源As A合成,调控SOS途径、Pro合成代谢、ROS清除系统、植物激素信号转导以及光合作用来提高番茄幼苗盐适应性;As A调控盐胁迫下番茄幼苗蛋白泛素化修饰水平,保护盐胁迫下蛋白质免受降解,从而提高番茄幼苗盐适应性;NO作为一种下游信号,参与盐胁迫下As A对番茄幼苗离子毒害,渗透调节氧化胁迫和光合损伤的调控。
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