高温胁迫下小麦叶绿体psbA基因表达与PSII修复的关系及外源调节

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小麦(Triticum aestivum)是我国第二大粮食作物,也是我国北方最主要的粮食作物,其产量的丰欠直接影响人民生活水平的提高和国民经济的发展。近年来,随着全球气候的不断变化,高温胁迫已成为小麦生长过程最易遭受的逆境因子之一。高温胁迫造成小麦光合机构受损,光合功能减退,阻碍籽粒发育,并严重减产。已知psbA基因编码的D1蛋白是小麦光合机构的重要组成部分,与小麦的抗高温胁迫密切相关。因此,本文研究了高温胁迫下小麦叶绿体psbA基因的表达特性、叶绿素荧光参数、光合速率、抗氧化酶活性及细胞膜的稳定性,同时探讨水杨酸(SA)和甜菜碱(GB)对其表达的调节作用,以揭示psbA基因表达与高温胁迫下PSⅡ功能修复的关系,为进一步阐明高温胁迫下受损光合机构的修复机理,采取抗逆应变技术提供科学依据。  试验于河南农业大学科教园区进行,以小麦品种矮抗58和豫麦49为试验材料,设置盆栽试验,于灌浆期(开花后20天)对小麦叶片进行喷施蒸馏水、0.1 mmol·L-1SA、0.3mmol·L-1SA、0.5 mmol·L-1 SA、0.1mmol·L-1GB、1.0 mmol·L-1 GB、10 mmol·L-1 GB溶液连续处理小麦叶片3天(每天1次)后进行高温胁迫(36℃,PFD为1800 umol m-2 s-1)2h,然后转入适温(25℃, PFD为600 umol·m-2·s-1)恢复3h。分别对胁迫前、胁迫后、胁迫后恢复三个时期进行取样,用于测定生理生化特性及psbA基因的表达。主要结果如下:  1.高温胁迫对小麦叶绿体psbA基因表达的影响以及外源SA和GB的调节作用  植物光系统Ⅱ(PSⅡ)是胁迫的关键部位,D1蛋白是PSⅡ多亚基复合体中的一个亚基,也是胁迫破坏的原初靶位,而由psbA基因编码的D1蛋白分解及合成是PSⅡ修复的关键。本试验的结果表明高温胁迫下,小麦叶绿体psbA基因的表达受到抑制。与对照(水处理)相比,不同浓度的SA和GB处理提升了psbA基因在高温胁迫和恢复期的表达量,提升了胁迫下受损D1蛋白的合成,从而减缓了逆境对小麦的光抑制,保护了光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心,维护了植物光合机构的正常运转。  2.高温胁迫对小麦叶绿体PSⅡ功能的影响以及外源SA和GB的调节作用  高温胁迫下,小麦叶绿体PSⅡ原初光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、类囊体能化时PSⅡ固有效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光化学猝灭系数(qp)、ETR(PSⅡ电子传递速率)及净光合速率(Pn)都显著降低。与对照(水处理)相比,SA和GB处理减缓了高温胁迫和恢复期Fv/Fm、Fv/Fo、Fv/Fm、ΦPSⅡ、qp、ETR和Pn的降低,从而降低了光合机构的受损程度,维持了PSⅡ反应中心结构的稳定及正常的周转速率。  3.高温胁迫对小麦叶绿体抗氧化酶活性和细胞膜稳定性的影响以及外源SA和GB的调节作用  高温胁迫下,小麦细胞膜稳定性降低,膜流动性增强。过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)等抗氧化酶的活性均下降,而丙二醛(MDA)的含量增加,超氧化物歧化酶(SOD)活性增强。与对照(水处理)相比,SA和GB处理提高了高温和恢复期SOD、CAT和POD的活性,减缓了MDA的积累。增强了膜的稳定性。  4.高温胁迫对小麦叶片渗透调节物质的影响以及外源SA和GB的调节作用  植物的抗逆性与体内游离脯氨酸含量密切相关。脯氨酸对逆境胁迫很敏感,高温胁迫下小麦叶片脯氨酸含量迅速积累,叶面喷施SA和GB增加了高温胁迫下植株体内脯氨酸的积累,起到了渗透调节的作用,在随后的恢复阶段SA和GB处理又可以有效的抑制脯氨酸含量的降低,增强了植株抵抗高温胁迫的能力。
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