胡杨逆境光合生理及其甜菜碱醛脱氢酶基因动态表达研究

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本文以一年生胡杨(Populus euphratica Oliv.)幼苗叶片为材料,在盐胁迫(100、200、300、500mmol/L NaCl)和旱胁迫(10、20、30%PEG)不同梯度和时间胁迫条件下,通过对胡杨幼苗的光合参数响应、光合-光响应、光合-CO2响应和叶绿素荧光参数响应研究,探讨胡杨幼苗对盐胁迫和旱胁迫的响应机制和甜菜碱(GB)对胡杨幼苗光合作用的保护机制,利用实时荧光定量PCR方法检测胡杨在环境胁迫下BADH基因的表达情况,甜菜碱对PeBADH1、PeBADH2两个基因的表达影响,以及PeBADH1、PeBADH2两个基因的表达对甜菜碱含量的影响。本研究有利于胡杨逆境光合生理和甜菜碱合成机理的深入研究,同时也为胡杨BADH基因的开发和利用打下基础并提供了重要的技术支持,具有重要的理论和实践意义。主要得出以下结论:(1)胡杨幼苗叶片中甜菜碱的含量随胁迫(盐胁迫和旱胁迫)强度的增加逐渐增加,根施GB能被胡杨根系吸收,并运输到叶片中,并且盐胁迫的胡杨幼苗比旱胁迫的更易吸收GB,使胡杨叶片中GB含量增加,仅在500mmol/LNaCl和30%PEG处理中GB对胡杨叶片中的GB含量没有影响。盐胁迫下,PeBADH1和PeBADH2基因表达量与甜菜碱含量的变化极显著相关,PeBADH1基因表达量与甜菜碱含量相关性较高。旱胁迫下,PeBADH1和PeBADH2基因表达量与甜菜碱含量的变化显著相关,PeBADH2基因表达量与甜菜碱含量相关性较高。随着胁迫(盐胁迫和旱胁迫)强度的增加和胁迫时间的延长,胡杨幼苗叶片叶绿素含量逐渐下降。GB对胡杨幼苗叶片叶绿素含量具有明显的促进保持作用,并且随着胁迫强度的增大和胁迫时间的延长,促进作用越明显。(2)随着胁迫强度的增大和胁迫时间的延长,胡杨叶片水分保持和水分利用效率降低。GB对胡杨叶片具有水分保持作用,且随着胁迫强度的增大和胁迫时间的延长,保持作用越明显。低浓度胁迫的胡杨复水后叶片水分保持作用有所恢复,高浓度胁迫的胡杨已经受到不可逆伤害。(3)随着胁迫强度的增大和胁迫时间的延长,胡杨幼苗净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)普遍有所下降,胞间CO2浓度(Ci)均有所上升。GB对胡杨幼苗Pn、Gs、Ci、Tr具有保护作用。未经GB处理的胡杨幼苗复水后,Pn、Gs、Ci、Tr均有明显改善,500mmol/L NaCl和30%PEG处理植株已死亡所以复水对其光合参数并无改善。经GB处理的胡杨幼苗复水后,Pn、Gs、Ci、Tr均有明显改善。(4)随着胁迫强度的增大和胁迫时间的延长,胡杨光合速率下降受到非气孔限制因素的影响程度增大。GB对胡杨光合非气孔限制有缓解作用。复水后GB预处理的胡杨胁迫(盐胁迫和旱胁迫),Pn下降均为气孔限制引起。未经GB处理的胡杨胁迫复水后,300-500mmol/L NaCl和20-30%PEG胁迫下Pn下降是非气孔限制引起,其它胁迫下均为气孔限制引起。(5)直角双曲线修正模型很好的模拟了胡杨幼苗的光响应和CO2响应曲线,由该模型分析可知,胁迫(盐胁迫和旱胁迫)均降低了植物最大光合能力,提高了胡杨幼苗在弱光下光能转化效率,除100mmol/L NaCl处理,胁迫7天和14天时胡杨幼苗利用弱光的能力增强,利用强光的能力减弱,呼吸减弱,可一定程度减少对光合产物的消耗,有利于抵御胁迫对苗木干物质积累的影响。光合作用对CO2的利用降低,对CO2的利用能力增强,光条件下呼吸速率减弱。(6)随着胁迫强度的增加和胁迫时间的延长,胡杨幼苗PSⅡ反应中心原初光能捕获效率显著降低,PSⅡ潜在活性降低,PSⅡ中开放的反应中心比例和参与CO2固定的电子下降,电子传递活性降低,光合结构逐渐受到破坏,光适应叶片PSⅡ光化学活性下降,CO2同化速率相对应的量子产量显著下降。GB明显提高了胡杨叶绿素荧光参数,不同胁迫强度和胁迫时间有些许不同,GB对PSⅡ光合系统有明显保护作用。(7)根据Genbank上已发表的胡杨PeBADH基因保守序列设计一对特异引物,利用这对引物扩增出的片段与预期片段长度一致。测序结果表明扩增得到的片段大小为PeBADH1512bp、PeBADH2510bp,使用DNAMAN软件与已发表的PeBADH1和PeBADH2基因进行比对,发现两个基因均出现一个碱基突变。(8)利用荧光定量2-△△Ct方法分析了PeBADH1和PeBADH2两个基因在不同胁迫时间和胁迫强度下胡杨叶片中的表达情况。不同盐胁迫处理时间,胡杨PeBADH1和PeBADH2两个基因表达量逐渐增高,在24h时基因表达量达到最大,然后下降。不同盐胁迫强度处理,PeBADH基因随着盐胁迫强度的增大,基因表达量逐渐升高,500mmol/L NaCl处理两个基因表达量达到最大。不同旱胁迫处理时间,胡杨PeBADH基因表达量处理12h后达到最大值。不同旱胁迫强度处理,胡杨PeBADH基因的表达量在30%PEG处理达到最大。在盐胁迫和旱胁迫处理条件下,GB预处理的胡杨PeBADH基因表达量均高于未经GB处理的胡杨,并且以上所有处理PeBADH2基因表达量普遍高于PeBADH1基因。
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