外源5-ALA缓解小麦幼苗干旱胁迫的生理生化机制研究

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干旱胁迫是影响植物生长代谢和最终产量的最重要的多维非生物胁迫因子之一。5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,5-ALA)是植物中一种生理活性物质,具有提高农业生产的潜力。本研究利用同位素标记相对和绝对定量蛋白质组学(i TRAQ)对外源5-Al A缓解干旱胁迫下小麦幼苗的叶绿体在蛋白质组水平进行全面分析,并运用q RT-PCR技术对相关差异蛋白在基因水平上进行验证,同时对叶片相对含水量(RWC),叶绿素含量,丙二醛(MDA)含量,脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、ATP酶含量、NADPH酶含量以及SOD、POD活性进行了测定,以探讨外源5-Al A缓解干旱胁迫下小麦幼苗的蛋白调控网络以及生理调节机制。试验选用矮抗58小麦品种为试验材料,在两叶一心期对叶片喷施浓度为100 mg·L-1的5-ALA,在进行模拟自然干旱6d后,取生长点下第二片小麦幼苗叶片进行试验。试验结果显示外源5-ALA预处理显著提高了干旱胁迫下小麦幼苗的叶片相对水份含量(RWC),叶绿素含量a和叶绿素含量b的含量,维持了小麦幼苗的正常生长,降低了丙二醛(MDA)含量,同时增加了脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、ATP酶含量、NADPH酶含量并使SOD、POD活性提高;通过i TRAQ分析共鉴定出9499个肽段和2442个蛋白质组,并成功筛选出727个与干旱胁迫表达和外源5-ALA调节的关键差异蛋白,为了进一步了解差异蛋白与其m RNA表达模式的对应关系,本试验应用q RT-PCR技术对12个在干旱+ALA处理组和干旱处理组中发生显著差异表达的蛋白质进行了转录分析。结果表明,在干旱胁迫下,5-ALA可以显著提高小麦幼苗在干旱胁迫下的耐受性。主要试验结果如下:1外源5-ALA对干旱胁迫下小麦幼苗生长的调节作用干旱胁迫下,小麦幼苗的生长受到了明显抑制,随着胁迫强度的不断加强,小麦幼苗所受到的损伤愈发严重,最终在干旱胁迫强度达到12 d时,干旱胁迫导致小麦幼苗死亡。在干旱胁迫强度达到6 d时,小麦幼苗叶片的RWC和叶绿素含量显著降低,在干旱胁迫强度达到9 d时,小麦幼苗叶片的RWC和叶绿素含量下降更加明显。同时干旱胁迫加剧了小麦幼苗细胞的膜脂过氧化程度,使MDA含量升高。而外源5-ALA显著提高了干旱胁迫下麦幼苗叶片的RWC和叶绿素含量,缓解了干旱胁迫下MDA含量的增加,从而维持小麦幼苗的正常生长。2外源5-ALA对干旱胁迫下小麦幼苗抗氧化系统的调节作用干旱胁迫会导致小麦幼苗体内的过多活性氧的积累,而小麦幼苗会通过调节体内的抗氧化酶系统平衡应对胁迫。在本试验中小麦幼苗叶片中的超氧化物歧化酶(SOD),过氧化物酶(POD)在干旱胁迫的诱导下显著提高,但是当胁迫强度超过了植物抗氧化酶系统调节的阈值,抗氧化酶系统的平衡就会受到破坏。比如POD活性在干旱胁迫达到9d时的含量比6d有所下降。外源5-ALA处理能够显著提高干旱胁迫下SOD,POD的活性,即外源5-ALA的作用可以增强抗氧化酶系统清除活性氧的能力,减轻小麦幼苗受到的损伤。3外源5-ALA对干旱胁迫下小麦幼苗ATP酶含量、NADPH酶含量的调节作用干旱胁迫会抑制小麦幼苗的光合系统,降低光合速率,导致光合系统元件ATP酶、NADPH酶的含量降低。而外源5-ALA处理可以显著提高ATP酶、NADPH酶含量,从而维持高效的光合作用。4外源5-ALA对干旱胁迫下小麦幼苗脯氨酸含量、可溶性蛋白含量的调节作用干旱胁迫会诱导植物积累更多的渗透物质来调解体内水势,从而维持正常的代谢活动。本试验中,干旱胁迫诱导渗透调节物质脯氨酸的含量显著增加,却显著降低了可溶性蛋白含量。而外源5-ALA处理不仅能够显著提高可溶性蛋白含量,同时也促进了脯氨酸含量的进一步提高。因此,有效提高了小麦幼苗对干旱胁迫的耐受能力。5等重同位素多标签相对定量蛋白质组学(i TRAQ)分析以及相关差异蛋白在基因表达水平上的验证本试验通过对样品叶绿体的i TRAQ分析共鉴定出9499个肽段和2442个蛋白质组,通过进行生物信息学分析,成功筛选出727个与干旱胁迫表达和外源5-ALA调节的关键差异蛋白,其中ALA合成相关,光合合成相关,光合作用相关,能量代谢相关,蛋白代谢相关,氨基酸合成相关,抗氧化相关,蛋白质合成与转运相关蛋白等差异蛋白可作为研究外源5-ALA对小麦幼苗干旱响应机制的主要对象。我们选取12个具有代表性的蛋白(其在uniprot.数据库中的搜索号分别是A0A1D6BFT6,A0A1D5YCF1,Q8S9H0,A0A1D5SMS3,Q43202,A0A1D6S578,A0A1D5WTV3,A0A1D5ZBT2,A0A096UTK7,A0A080YUW8,A0A1D6BSD3,A0A0C4BIL8)采用q RT-PCR技术验证分析它们在干旱胁迫下的表达水平。通过q RT-PCR分析表明编码这些差异蛋白的基因表达趋势与生物信息学分析结果相一致。
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