大气压低温等离子体处理拟南芥幼苗刺激效应初探

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与传统的种子预处理方法(如紫外线和γ辐射、碎裂、热水浸泡和化学试剂处理)相比,大气压低温等离子体是一种快速、均匀、经济、有效和生态的处理方法,能促进种子萌发和幼苗生长。尽管对等离子体处理促进种子发芽机制的研究较多,但对等离子体处理刺激植物幼苗生长的研究较少,同时也缺少对植物激素脱落酸(Abscisic acid,ABA)及其相关信号通路在此过程中作用机制的相关研究。本论文以拟南芥(Arabidopsis thaliana)幼苗为研究对象,检测大气压低温等离子体处理后溶液中的主要活性氮(Reactive Nitrogen Species,RNS)成分,动态检测幼苗体内ABA的含量,并分析ABA信号通路相关基因的表达量,以及幼苗叶片保卫细胞的活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)含量及其气孔开度,同时动态检测幼苗体内ROS及抗氧化系统的变化,从而揭示大气压低温等离子体刺激拟南芥幼苗生长的机制。本论文主要包括以下五个部分:(1)等离子体放电参数、溶液的理化特性分析及刺激幼苗生长效果评价:本研究对大气压低温等离子体放电过程中的电流、电压进行实时监测,并且检测等离子体放电过程中水溶液中产生的RNS含量及p H值,同时,分析等离子体处理对幼苗生长的效应。结果表明,大气压低温等离子体放电过程中电流电压较稳定,处理后溶液中的硝酸根、亚硝酸根的含量也会提高,p H值下降,溶液呈酸性。与此同时,幼苗生长状况的分析表明一定剂量的等离子体处理较短时间能刺激幼苗生长,而随着处理时间延长,幼苗生长受到抑制。(2)等离子体处理后拟南芥幼苗ABA含量及相关基因表达量的变化:本研究从等离子体处理后继续培养不同时间的幼苗体内提取ABA,用高效液相(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)分析其含量。结果表明等离子体处理后的前72 h,处理组ABA含量显著高于对照,其峰值在48 h,含量为146.2 pmol g-1 FW,72 h后处理组ABA含量又低于对照,而对照组的含量峰值则在96 h为106.32 pmol g-1 FW,这说明等离子体处理使幼苗加快了幼苗体内ABA的积累。同时我们分析了ABA信号通路相关基因的表达量,结果表明,等离子体处理显著上调48 h的幼苗ABA信号通路相关基因的表达量,而且ABA生物合成基因的表达量高于分解基因的表达量,然而在96 h时,等离子体显著下调大多数ABA信号通路基因的表达量,这与HPLC的检测结果一致。(3)等离子体处理后拟南芥幼苗Ca2+含量的变化:本研究选取等离子体处理后继续培养不同时间的幼苗,利用荧光显微镜观察根部Ca2+含量的变化。结果表明Ca2+主要集中在幼苗根尖,处理组的Ca2+含量在24 h和96 h时显著高于对照,在108 h时低于对照。我们推断Ca2+可能在等离子体处理后拟南芥幼苗ABA含量积累的过程中发挥重要作用。(4)等离子体处理后拟南芥幼苗保卫细胞ROS含量及其气孔开度的变化:本研究从等离子体处理后继续培养不同时间的幼苗叶片中分离保卫细胞,用激光共聚焦显微镜观察保卫细胞内ROS的荧光强度以及气孔开度。结果表明处理组的ROS含量高于对照,峰值在48 h,荧光强度为99.74 a.u.,然而,在从72 h开始处理组ROS含量低于对照,对照组的ROS含量峰值则在96 h,荧光强度为69.99 a.u.,这表明等离子体处理使幼苗加速体内ROS的积累过程,这与ABA含量的变化相似。与此同时,在24 h左右,处理组的气孔开度显著小于对照,这与保卫细胞内高浓度的ROS有关。(5)等离子体处理后幼苗抗氧化系统的变化:本研究选取等离子体处理后继续培养不同时间的幼苗,动态检测幼苗的生理生化性质。结果表明等离子体处理显著提高幼苗体内ROS、抗氧化酶和非酶类抗氧化物的积累,其中根尖ROS的含量变化最为明显。同时,呼吸爆发氧化酶同源基因(RBOHs)的表达水平也显著提高,这表明在等离子体处理促进拟南芥幼苗生长过程中,ROS及抗氧化系统也起着重要作用。
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