外源Spd和EBR对番茄幼苗低铁胁迫的缓解效应及机理研究

来源 :山西农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huanghoubin101
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铁(Fe)是植物生长发育必需的微量元素之一。由于铁在土壤中溶解性低,尤其是碱性土壤中,极易出现缺铁现象,缺铁严重影响了作物的产量和品质。油菜素内酯(BRs)作为第六大类植物激素,与植物生长发育密切相关。亚精胺(Spd)作为生物活性极高的次级代谢物,与植物逆境密切相关。目前有关表油菜素内酯(EBR)、Spd研究多集中在单一因素对逆境的影响,而有关EBR和Spd耦合对低铁胁迫的影响还未有研究。因此本试验以‘Micro Tom’番茄为试材,采用水培法模拟低铁(10 μMEDTA-Fe)和正常铁(100 μMEDTA-Fe)环境,以叶面喷施外源EBR和Spd为调控物质,研究了低铁胁迫下番茄幼苗的生理特性及分子响应机制,为基于外源Spd和EBR调控设施番茄低铁耐受性和铁元素吸收利用提供了理论依据。1低铁胁迫下番茄幼苗生长受到显著抑制,植株矮小,叶片失绿黄化,鲜重、干重显著下降,总根长、总根系表面积、总根系体积减少、而根系平均直径变粗,根系活力以及Fe3+还原酶活性显著增加,叶片光合色素含量减少,光合作用受到抑制。外源喷施EBR、Spd和EBR+Spd处理均显著增加了总根长、总根系表面积及总根系体积,以及根系活力和Fe3+还原酶活性,增加了叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的积累,一定程度缓解了低铁胁迫对番茄幼苗黄化的影响,提高了净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、光合电子传递速率(ETR)和光化学淬灭系数(qP)等光合荧光参数,使得光合能力得以恢复。2低铁胁迫下,幼苗细胞膜遭到破坏,通透性增加,叶片和根系中相对电导率以及丙二醛(MDA)含量增加,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性均降低,导致过氧化氢(H2O2)以及超氧阴离子(O2·-)等活性氧(ROS)大量积累;游离氨基酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量下降,植物渗透调节系统遭到破坏。外源喷施EBR、Spd和EBR+Spd处理后SOD、POD和CAT等酶活性显著升高,MDA含量、相对电导率以及ROS的积累均显著降低。可见,EBR、Spd可通过激活抗氧化防御系统、减少过量ROS的产生,有效缓解膜脂过氧化水平,维持质膜的完整性,从而增强番茄幼苗对低铁胁迫的适应能力;游离氨基酸、可溶性蛋白、可溶性糖等渗透调节物质含量显著增加,维持了植物细胞膨压,有效缓解了低铁对植物带来的逆境危害。3低铁胁迫下,叶片中性转化酶(NI)、酸性转化酶(AI)活性升高,蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性降低,导致叶片中蔗糖含量积累;叶片中游离态亚精胺和精胺、结合态多胺和束缚态多胺含量升高;根系中苹果酸、柠檬酸含量增加,低铁胁迫下抑制了根系中K、Ca、Fe、Cu元素的吸收,刺激植物体内的营养元素优先供应给地上部以应对叶片黄化。外源喷施EBR、Spd和EBR+Spd处理后,通过增加SS酶活性加快了叶片中蔗糖的分解,减轻了蔗糖积累对光合的抑制作用,通过增加根系中苹果酸和柠檬酸含量,增加了根系抗逆性以及对铁的运输能力;通过增加叶片中游离态多胺和结合态多胺,提高了植物抵御逆境的能力;不同程度地降低了叶片中K、Ca、Mg大量元素的积累,促进了 Mn、Cu、Fe微量元素的吸收,缓解了植株受到的离子胁迫,促进了营养元素的再分配,维持了番茄幼苗的养分平衡。4低铁胁迫下,植物中激素信号、蔗糖信号、抗氧化防御系统、光合作用、叶绿素代谢等相关基因的表达受到调控,通过上调叶片中与生长素响应转录因子(GH3、SAUR、ARF)以及根系中乙烯响应转录因子(ERF1、ERF2)的表达,来缓解植物逆境对细胞生长的抑制作用。同时根系中有关铁吸收基因FRO、铁转运基因IRT1均显著上调以应对低铁胁迫。低铁胁迫下外源喷施Spd处理后,叶片中进一步上调了生长素、乙烯和糖代谢相关基因的表达,以及CHLP、PetF、CAT等基因的上调表达,增加了叶绿素的合成,增加了抗氧化酶的稳定性,进而影响FRO、IRT1等基因的上调表达,促进了铁的吸收利用率,缓解了低铁胁迫对植株造成的伤害。综上所述,低铁胁迫下,植物生长、光合荧光、养分平衡、膜脂过氧化水平和渗透调节等过程均受到抑制。低铁胁迫下喷施BR、Spd、BR+Spd处理后均有效缓解了对植物生长的抑制,通过调节光合荧光系统、显著提高了植物养分利用效率,调节植物抗氧化水平和渗透调节系统,恢复了植物正常的生理机能,且外源BR和Spd起到了很好的耦合作用,为设施番茄铁营养栽培技术提供一定的理论依据。
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