水分胁迫下植物磷脂酸调控细胞膜稳定性的作用与机理

摘要

小麦是世界第二大作物，干旱是小麦减产的重要原因之一。深入理解植物抗旱机理对品种选育与改良提供理论基础。磷脂酶D(PLD)是重要的信号转导酶，在多种胁迫下被激活，通过水解磷脂产生信使物质磷脂酸(PA)，从而参与信号转导过程。正丁醇(BA)在许多研究中被用来激活PLD活性，也在一些研究中抑制PLD的转酰基作用，即抑制磷脂向PA的转化。由于PLD为多基因家族，且各PLD同种型具有底物特异性和对胁迫种类响应方面的特异性，不同胁迫下，PA产生特定的分子种组成。本研究首先通过ESI-MS/MS技术，鉴定PEG胁迫下PA的分子种组成，之后通过BA处理加强PLD活性，测定PA分子种组成的变化，以及PA变化对小麦抗旱性的影响。再通过同位素标记相对和绝对定量(iTRAQ)和LC-MS/MC手段分析PA变化不同代谢途径上蛋白质表达的影响，深入揭示PA参与抗旱性调节的机理。主要结论如下: (1)BA在小麦幼苗于干旱条件下促进PLD活性 PA(34∶3)、PA(34∶2)、PA(36∶6)、PA(36∶5)和PA(36∶4)表现出了信号特征，即先上升，之后迅速下降。BA处理在于旱胁迫10min和1h时促进了PA的产生，其中PA(34∶3)、PA(34∶2)、PA(36∶5)、PA(36∶4)的产生显著升高。由于BA对PLD有激活作用，同时对PLD的转酰基有抑制作用，本实验的结果表明在晋麦47幼苗叶片上，其对PLD的促进作用更大。 (2)PA负向影响植物抗旱性 通过对比PEG+BA处理与PEG处理下小麦生长速率、膜脂过氧化程度、膜稳定性和光合参数变化结果可知，PEG+BA处理下较不加BA，冬小麦幼苗叶片生长受抑制，净光合速率下降，光合非气孔限制作用增强，细胞膜离子渗漏率显著升高，丙二醛(MDA)升高，表明BA使得细胞膜稳定性降低。 (3)PA在干旱胁迫下参与调节的应答途径 对比PEG处理和PEG+BA处理4天后的蛋白质组结果可知:大量光合相关蛋白含量降低，所有起转运作用的差异蛋白含量都降低，脂质代谢相关蛋白含量降低，大部分细胞核内起核酸代谢功能的蛋白含量也减少。但起清除活性氧作用的抗氧化蛋白几乎都被上调，也有57％的抗旱或耐受蛋白被上调，糖代谢相关蛋白中68.4％升高，其中淀粉和蔗糖积累量都减少，葡萄糖合成增加。如前所述，PLD的产物PA在胁迫下介导多种生理过程，磷脂酶A(PLA)显著降低，目前仅发现BA对PLD的转化有抑制作用，但对PLA是否有间接作用未见报道，仍需深入研究。 (4)小麦叶片脂质组成对干旱胁迫的动态响应 脂质组学分析表明，磷脂酰胆碱(PC)，磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰甘油(PG)是主要的降解目标，也是PA的主要来源，并且PC被优先水解。单半乳糖二酰基甘油(MGDG)(34∶3)，二半乳糖二酰基甘油(DGDG)(34∶3)开始下降的时间早于两个主要分子种MGDG(36∶6)和DGDG(36∶6)开始下降时间，这表明不同的分子种可能在不同的亚细胞结构中起不同的作用。