硒锑交互作用对水稻光合作用的影响机制

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我国锑(Sb)矿周边土壤受到严重污染,污染土壤中的Sb可被农作物吸收富集,特别是水稻。水稻在栽培过程中需长期淹水,淹水条件会导致土壤中Sb的释放以及水稻对Sb的富集。农作物富集的Sb可通过食物链在人体中富集。研究表明,外源添加适宜浓度硒(Se)可通过多种机制降低农作物对Sb的吸收或缓解Sb对农作物的毒害,例如,调控水稻根系系统发育(通过影响根系内源激素代谢)、调节根系细胞壁组分含量、相关酶活性和元素吸收。前期研究主要集中在Se抑制植物对重(类)金属(HMs)吸收/转运、调控HMs胁迫下植物抗氧化系统和物质代谢等相关机制方面,对于Sb胁迫下Se对植物的光合色素合成与分解、光合电子传递以及光合产物合成等方面的研究较少。本研究利用水培实验,以水稻(甬优9号)作为研究对象,研究了Se(Ⅳ)(0.2 mg L–1和0.8 mg L–1)和Sb(Ⅲ)(5 mg L–1和10 mg L–1)处理下:水稻叶片光合气体交换过程、光电子传递过程、碳同化和碳代谢过程,同时利用转录组测序(RNA–Seq)技术,分析Sb胁迫下Se调控水稻叶片光合作用的分子机制。本研究结果在理论上可进一步揭示植物体内Se缓解HMs胁迫的机制,同时在现实中具有一定的应用价值。主要结果如下:植物生长状况。单独的Se、Sb处理均显著降低了水稻地上部分和根系的鲜重、干重以及叶片的比叶重(SLW)。当水稻暴露于Sb时,外源添加Se不仅未表现出促进该水稻品种生长的效果,反而在一定程度上降低了植物的一些生物学指标,例如根长、茎长、茎干重。元素吸收。地上部和根系的Sb和Se的含量均随着各自处理浓度的增加而增加。相比于根系,地上部富集更少的Se和Sb。与单独Sb处理相比,Se的加入显著降低了根、茎中的Sb含量(除了Se0.8+Sb5处理显著增加了地上部Sb含量)。与单独Se处理相比,Sb的加入也显著降低了根、茎中的Se含量(Se0.8+Sb10显著增加了地上部Se含量除外)。自由基的产生。单独的Sb处理促进了叶片中H2O2和O2·–的富集(特别是O2·–)。Se降低了Sb胁迫下叶片中H2O2和O2·–的积累(H2O2的清除在0.8 mg L–1Se处理下效果最好,O2·–的清除在0.2 mg L–1Se处理下效果最好)。气体交换参数与荧光诱导参数。单独Sb或Se处理显著抑制了水稻叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、蒸腾系数(Tr)。5 mg L–1Sb胁迫下,0.2 mg L–1Se显著增加了Pn、Tr,不显著增加了Gs,但显著降低了Ci;在10 mg L–1Sb处理下,Se的加入未明显改变Sb胁迫下的气体交换参数。光系统II(PS II)叶绿素荧光OJIP动力学曲线结果显示((?)Vt转化后):Se0.2、Sb10、Sb10+Se0.2处理下的(?)K、(?)J明显升高,其它处理下基本呈现降低趋势;而所有处理下的(?)I均呈现上升趋势。与单独的Sb处理相比,加入Se后(?)K、(?)J和(?)I均呈现下降趋势。糖和淀粉含量。单独添加Sb和Se未显著影响蔗糖的含量,但在Se存在下,Sb处理水平的增加促进了蔗糖的生成。单独加入Se和单独10mg L–1Sb处理均显著增加了果糖含量;与单独5 mg L–1 Sb处理相比,Se的加入增加了果糖的含量。单独加入Sb和Se均显著增加了淀粉的含量;与单独10mg L–1 Sb处理相比,外源添加Se可以显著促进淀粉在叶片中的积累。蔗糖和淀粉合成/分解酶活性。单独Sb或Se处理下,核酮糖1,5–二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)的活性显著降低;与单独Sb处理相比,Se的加入总体上并未显著影响Rubisco酶的活性。与对照相比,单独添加Se和Sb在大多数情况下显著增加了的蔗糖合成酶(SS–I,分解方向)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)酶活性;与单独Sb处理相比,加入0.2mg L–1Se后增加了SS–I(10 mg L–1Sb处理)和SPS(5–10 mg L–1Sb处理)。单独添加Se和Sb均未显著影响酸性转化酶(S–AI)和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGP)酶活性;与单独Sb处理相比,Se的加入降低了S–AI的活性(5 mg L–1Sb处理),却显著增加了AGP酶活性(0.8mg L–1Se+10 mg L–1Sb处理)RNA–Seq分析。1)光合作用相关基因:Se可能通过调节叶绿素合成途径中相关基因(HEMA1、Os10g0502450、GUN4和Os04g0692600上调,Os RCCR1下调)的表达,进而提高叶绿素含量。Se上调了胡萝卜素和虾青素合成的相关基因(Os FPPS1、PSY2、Os BCH2和Os BCH3上调),促进类胡萝卜素的合成,其可能参与了因Sb胁迫而产生的ROS清除过程。2)气孔导度调控相关基因:Se可能通过调节脱落酸(ABA)的合成(Os NCED1下调)与信号转导(上调Os PP2C30和Os PP2C30;下调Os PYL/RCAR4、SAPK9、Osb ZIP29和Osb ZIP62)以及K+离子吸收通道的相关基因(TPKB上调)来影响保卫细胞的气孔开闭。10 mg L–1 Sb处理下,0.8 mg L–1 Se影响了PSⅡ放氧调节的相关基因(Pbs R下调)、PSⅠ铁–硫簇相关基因(Os06g0474800和gene–psa C下调)以及铁氧还蛋白相关基因(Fd1上调)的表达量。3)糖与淀粉代谢相关基因:Se上调了蔗糖合成酶相关基因(SPS1)、下调了蔗糖分解酶的相关基因(Os09g0255300)来促进Sb胁迫下叶片中蔗糖的合成。Se影响了Sb胁迫下叶片中葡萄糖合成相关的12个基因的表达(Os07g0510200、Os8bglu27、Os9bglu33、Os5bglu20等上调)。Se可能通过调控淀粉代谢的相关基因(SSⅠ上调;Os PHS8和Os10g0565200下调)来促进Sb胁迫下叶片中淀粉的积累。
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