论文部分内容阅读
甘蔗(Ssccharum officinarum L.)为禾本科甘蔗属作物,广泛种植于热带和亚热带,是中国制糖的主要原料,而广西甘蔗的种植面积和蔗糖产量占到了全国总量的60％～70％,对中国制糖业具有举足轻重的作用。近年灾害性低温天气频发,对甘蔗生产产生了极大的影响,因此对于甘蔗在低温胁迫下的抗寒机制研究显得尤为重要,但到目前为止,国内外关于低温胁迫对甘蔗根系生长发育、生理生化代谢及蛋白质组学等方面影响的研究报道较少,其机理还不清楚。本实验运用水培系统确定了甘蔗幼苗生长最适pH值,并在该pH值下培养甘蔗幼苗,获得完整根系,然后利用植物形态学、生理生化等研究手段并结合差异蛋白质组学技术,分析在4℃低温胁迫od、1d、3d、5d和7d,3个抗寒性不同的甘蔗品种(GT21、ROC22和GT28)幼苗根系应答低温的生理生化机制,并对低温胁迫3d的甘蔗根系总蛋白进行了差异蛋白质组学的研究分析,以期为揭示甘蔗根系在低温胁迫下的抗寒机理提供依据,指导甘蔗产业的生产和发展。研究结果如下:
1.通过水培系统试验确定了甘蔗生长的最适pH值为6.0,在该pH值下甘蔗生长状况最好。
2.在低温胁迫下,3个甘蔗品种根系随着低温胁迫时间的延长,根系受到不同程度的伤害,根系活力均显著降低,抗寒性强的品种GT21和GT28降低幅度小于抗寒性弱的ROC22。因此,根系活力可作为植物鉴定抗寒性强弱的一项重要指标。
3.不同甘蔗品种的根系形态存在差异,抗寒性强的品种GT21和GT28根系呈向下生长,抗寒性弱的品种ROC22根系呈向周边生长。在同一生长条件下,抗寒性强的品种根长、根体积均大于抗寒性弱的品种,说明遇到低温时根尖位置差异造成对低温的响应时间有先后,导致抗寒能力不同,根系生长形态可作为选育耐寒性品种的一个重要参考依据。低温胁迫7d,3个甘蔗品种根长、根体积的增加量均显著低于对照,品种间没有显著差异,低温明显抑制了根系的生长。结果同时表明低温会降低甘蔗地上部和地下部鲜重,其中低温对GT21和ROC22地下部分的影响大于地上部分,降低了根冠比,但低温反而增加了甘蔗幼苗的地上部和地下部分的干物质积累。
4.随着低温胁迫时间延长,甘蔗根系细胞排列紊乱程度变大。在相同的胁迫条件下,抗寒性不同的品种根系细胞对低温的响应不同,抗寒性弱的ROC22细胞在低温处理的第3d后就开始膨大变形,细胞结构散乱程度大于抗寒性强的GT21和GT28。
5.在低温胁迫下,甘蔗根系细胞膜受到伤害,3个品种根系内MDA含量增加,不同的品种增幅有差异。抗寒性弱的品种ROC22积累量最多,膜脂过氧化作用大于GT21和GT28。随着处理时间的延长,3个品种根系内MDA含量开始下降。
6.随着低温胁迫时间的延长,甘蔗根系内POD和SOD在品种间没有表现出很一致的规律,但均出现活性增高的趋势。GT21根系内POD表现为先升高后降低再升高的趋势,SOD在POD降低第3 d表现为升高。ROC22根系POD在处理的第3 d活性最高,SOD在处理的第l d活性较高,后期这两种酶活性均逐渐降低。受低温胁迫GT28根系内的这两种酶活性出现显著增加,并在整个处理期间表现出较高的活性,说明抗寒性强的品种根系内这两种酶活性较高,在对低温的适应调节过程中发挥着协同作用。
7.渗透调节物质与甘蔗根系对低温的调节机制关系密切。甘蔗幼苗根系内脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量随着低温胁迫时间的延长呈上升趋势,并随着处理时间的进一步延长,含量降低,说明在一定的低温条件下可促进这3类物质在根系内的积累。但它们的升幅和降幅均与品种的抗寒性有关,抗寒性弱的品种ROC22脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白积累量低于抗寒性强品种GT21和GT28,且根系内可溶性糖和可溶性蛋白含量表现为激增和激降的状态,说明抗寒性弱的品种对低温敏感。而抗寒性强的品种体内这类物质表现为缓慢升高和缓慢降低的趋势,说明抗寒性强的品种抵御低温胁迫系统较协调。
8.低温胁迫3d,对3个甘蔗品种的根系总蛋白进行一维SDS-PAGE分析,发现蛋白谱带在组分和表达丰度上发生了变化。GT21在96.8kDa和47.7kDa处蛋白含量显著降低,在39.1kDa处显著增加,在79.9kDa处消失了一条谱带,对消失谱带质谱检测,检测出一个甲硫氨酸合成酶蛋白,主要调节根系内的甲硫氨酸合成,说明该酶可能参与低温对根系胁迫适应调节机制;ROC22在39.1kDa,和14.4kDa处蛋白含量显著降低,在96.3kDa处显著增加;GT28在39.1kDa和24.2kDa处蛋白含量显著降低,在33.2kDa处显著增加,并在31.5kDa处也消失了一条蛋白谱带,但质谱结果未检出。
9.对低温胁迫3d的GT28根系总蛋白进行双向电泳,甘蔗根系蛋白主要分布在pH5.8之间,通过银染可检测到900～1000个蛋白点,且以低丰度蛋白居多。在低温胁迫条件下,共检测到15个蛋白丰度差异表达在2倍以上的蛋白点,共有6个蛋白点表达量上调,9个蛋白点表达量下调。在下调的这些蛋白点中,有3个蛋白点下调量大,可判定为处理后消失点,根据其分子量与一维SDS-PAGE处消失谱带结果相一致。推测这部分差异表达的蛋白点与甘蔗幼苗根系抵抗低温逆境的能力有关。