外源亚精胺提高黄瓜幼苗低氧胁迫耐性的生理调节功能

摘要

无土栽培中水培营养液供氧不足或基质培根垫的形成均会造成低氧逆境，影响植株正常生长发育，成为困扰无土栽培技术大规模应用于生产的限制性因子。因此，提高植株在低氧胁迫下的耐性和抗性对农业生产具有重要的意义。多胺(Polyamines,PAs)是生物代谢过程中产生的一类具有生物活性的低分子量脂肪族含氮碱，主要包括腐胺(Put)、亚精胺(Spd)和精胺(Spm)。研究表明，多胺广泛作用于植物生长、形态建成、衰老和对环境胁迫的反应，然而，关于多胺种类和形态变化与植物低氧胁迫耐性的关系以及多胺的生理调节功能尚不清楚。本文以耐低氧能力较弱的‘中农八号’黄瓜（Cucumis sativusL.）品种为试材，采用营养液栽培的方法，通过营养液中添加外源多胺和多胺代谢抑制剂，研究了低氧胁迫下黄瓜幼苗体内多胺种类和形态的变化与碳代谢、光合作用之间的关系，探讨了多胺在黄瓜植株适应低氧胁迫中的生理调节功能。主要研究结果如下：
　　 低氧胁迫下，营养液中添加适宜浓度的Put、Spd和Spm均可缓解低氧胁迫对黄瓜幼苗生长的抑制作用，其中以0.05mmol.L-1Spd的缓解效果最佳。
　　 低氧胁迫下，黄瓜幼苗根系和叶片中游离态、结合态、束缚态Put、Spd和Spm含量均显著提高；营养液中添加外源Spd后进一步提高了低氧胁迫下黄瓜幼苗根系和叶片中游离态Spd、Spm含量，却显著降低了游离态Put含量；同时进一步提高了结合态、束缚态多胺含量，尤其是束缚态多胺含量，并且促进了黄瓜幼苗生长。Put合成抑制剂D-精氨酸（D-Arg），不仅显著降低了黄瓜幼苗体内游离态Put、Spd和Spm的含量，而且降低了抗氧化酶活性，导致植株体内活性氧(ROS)大量积累，加重了低氧胁迫的伤害。Put转化抑制剂甲基乙二醛双（脒基腙）(MGBG)和降解抑制剂氨基胍(AG)混合施用造成游离态Put和ROS的大量积累，并且Spd、Spm含量和抗氧化酶活性均显著降低，进一步加重了低氧胁迫对植株的伤害。低氧胁迫下，游离态多胺向束缚态多胺转化的抑制剂邻菲咯啉(o-phen)处理后，显著降低了幼苗体内束缚态多胺含量，并加重了低氧胁迫对幼苗生长的抑制作用。这些结果表明，黄瓜幼苗体内多胺的种类和形态与低氧胁迫耐性密切相关：从多胺的种类来看，根系和叶片中游离态Put迅速向游离态Spd和Spm转化，有利于提高黄瓜幼苗的低氧胁迫耐性；从多胺的形态来看，游离态Put迅速向结合态和束缚态多胺转化，尤其是向束缚态多胺的转化，有利于增强黄瓜幼苗的低氧逆境适应能力。
　　 低氧胁迫下，黄瓜植株的净光合速率(Pn)显著降低，并且饱和光强下的Pn、表观量子效率(AQY)和PSⅡ的最大光化学效率（Fv/Fm）均显著下降，天线耗散能量(D)的比率、非光化学猝灭系数(NPQ)和光抑制程度(1-qP/qN)显著升高，说明低氧胁迫下黄瓜植株受到了光合作用的光抑制。低氧胁迫下，NPQ与叶黄素脱环氧化状态(DEPS)变化趋势相一致，且两者均被抗坏血酸(AsA)所促进，被二硫苏糖醇(DTT)所抑制，说明黄瓜植株通过叶黄素循环耗散过量光能，以适应低氧胁迫。外源Spd降低了低氧胁迫下黄瓜植株的1-qP/qN，同时也降低了NPQ和DEPS，说明Spd并不是通过增强叶黄素循环来耗散过剩光能从而缓解光抑制。低氧胁迫下，外源Spd提高了植株的Pn、Fv/Fm和实际光化学效率(ΦPSⅡ)以及光化学反应的能量部分(P)，降低了天线耗散的能量部分(D)和PSⅡ反应中心过剩的光能(Ex)。说明，低氧胁迫下，外源Spd通过增强光能利用效率来缓解黄瓜植株的光抑制，从而保持较高的PSⅡ光化学效率，防御光破坏。
　　 低氧胁迫下，黄瓜叶片中淀粉和葡萄糖含量显著升高，而根系中淀粉和葡萄糖含量显著降低，表明可溶性糖从叶片向根系的转运受到抑制，根系通过消耗自身储存的淀粉和葡萄糖来维持生理代谢，以增强低氧适应性。另外，黄瓜根系三羧酸循环过程中的关键酶琥珀酸脱氢酶(SDH)和异柠檬酸脱氢酶(IDH)活性显著降低，三羧酸循环(TCA)严重受阻，ATP含量显著降低；同时，黄瓜根系无氧呼吸代谢能力增强，乳酸脱氢酶(LDH)、丙酮酸脱羧酶(PDC)、乙醇脱氢酶(ADH)和丙氨酸氨基转移酶（AlaAT）活性显著升高，造成有毒产物乳酸和乙醛大量积累，因此抑制了黄瓜幼苗的生长。外源Spd通过调节低氧胁迫下黄瓜幼苗体内多胺种类与形态的变化，提高了根系中糖含量以及糖酵解代谢酶和SDH、IDH活性，有利于维持较长时间的糖酵解，促进TCA循环，刺激ATP的合成，同时抑制无氧呼吸代谢和乳酸、乙醛积累，从而提高黄瓜幼苗的低氧胁迫耐性。
　　 黄瓜幼苗根系细胞器上束缚态多胺含量变化与植株低氧胁迫耐性密切相关：低氧胁迫下，黄瓜根系线粒体膜上束缚态多胺含量显著增加，添加外源Spd后进一步提高了线粒体膜上束缚态多胺含量，同时提高了线粒体膜上H+-ATPase、H+-PPase、Ca2+-ATPase和Mg2+-ATPase活性，降低呼吸4态无效耗氧，提高呼吸3态、呼吸控制率和氧化磷酸化效率。表明，低氧胁迫下，外源多胺通过促进黄瓜根系游离态多胺以自身的多聚阳离子特性与线粒体膜上带负电荷的磷脂、膜蛋白结合后，有助于稳定线粒体膜、调节膜蛋白的构象，提高线粒体膜上ATPase活性，增强线粒体的呼吸功能，促进线粒体的电子传递和氧化磷酸化偶联作用，从而部分恢复有氧呼吸，提高根系呼吸速率，增强黄瓜植株对低氧胁迫的耐性。
　　 低氧胁迫下，黄瓜根系质膜束缚态多胺含量显著增加，而液泡膜束缚态多胺含量显著降低，添加外源Spd后显著提高了质膜和液泡膜束缚态多胺含量以及质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase和H+-PPase活性。表明，低氧胁迫下，外源多胺通过促进黄瓜根系游离态多胺与根系质膜H+-ATPase、液泡膜H+-ATPase和H+-PPase蛋白结合后，可以防止膜蛋白在逆境下变性，稳定膜蛋白的天然构象以及调节膜蛋白的生物功能，从而提高黄瓜幼苗对低氧胁迫的耐性。

目录

文摘

英文文摘

缩略语

前言

第一章 文献综述

第一节 植物对低氧逆境响应的研究进展

1 低氧对植物的伤害机理

2 植物对低氧逆境的适应机理

3 提高植物抗低氧胁迫能力的途径

第二节 植物体内多胺代谢及其与逆境胁迫的关系

1 植物体内多胺的种类和形态

2 植物体中多胺的代谢

3 多胺在植物体内的吸收和转运

4 多胺与植物的抗逆性

5 逆境胁迫下植物体内多胺的主要生理功能

6 研究中存在的问题与展望

第二章 多胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗多胺含量的影响及其与低氧耐性的关系

第一节 缓解黄瓜幼苗低氧胁迫耐性适宜多胺种类和浓度的筛选

1 材料与培养

2 测定方法

3 结果与分析

4 讨论

第二节 外源亚精胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗生长和内源多胺含量的影响

1 材料与培养

2 测定方法

3 结果与分析

4 讨论

第三节 黄瓜幼苗体内游离态多胺含量与植株低氧胁迫耐性的关系

1 材料与培养

2 测定方法

3 结果与分析

4 讨论

第四节 黄瓜幼苗体内束缚态多胺含量与植株低氧胁迫耐性的关系

1 材料与培养

2 测定方法

3 结果与分析

4 讨论

第三章 外源亚精胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗呼吸代谢和糖酵解的影响

第一节 外源亚精胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗根系呼吸代谢的影响

1 材料与培养

2 测定项目及测定方法

3 结果与分析

4 讨论

第二节 外源亚精胺对低氧胁迫下黄瓜幼苗碳水化合物代谢的影响

1 材料与培养

2 测定项目及测定方法

3 结果与分析

4 讨论

第四章 外源亚精胺对低氧胁迫下黄瓜根系细胞器多胺含量和ATPase活性的影响

第一节 外源亚精胺对低氧胁迫下黄瓜线粒体多胺含量及ATPase活性的影响

1 材料与培养

2 测定项目及测定方法

3 结果与分析

4 讨论

第二节 外源亚精胺对低氧胁迫下黄瓜根系质膜和液泡膜多胺含量及ATPase活性的影响

1 材料与培养

2 测定项目及测定方法

3 结果与分析

4 讨论

第五章 外源亚精胺对低氧胁迫下黄瓜叶片光合性能和叶黄素循环活性的影响

1 材料与培养

1.1 供试品种

1.2 材料培养

2 测定项目及测定方法

2.1 Pn的测定

2.2 叶绿素荧光参数的测定

2.3 Pn-PFD和AQY

2.4 叶黄素组分含量

3 结果与分析

3.1 外源Spd对低氧胁迫下黄瓜幼苗Pn的影响

3.2 外源Spd对低氧胁迫下黄瓜幼苗Pn-PFD响应曲线和AQY的影响

3.3 外源Spd对低氧胁迫下黄瓜幼苗Fv/Fm和ΦPSⅡ的影响

3.4 外源Spd对低氧胁迫下黄瓜幼苗qP和1-qP/qN的影响

3.5 外源Spd对低氧胁迫下黄瓜幼苗光能分配的影响

3.6 温室内光照和温度的日变化

3.7 外源Spd对低氧胁迫下黄瓜幼苗NPQ和DEPS日变化的影响

3.8 外源Spd对低氧胁迫下黄瓜幼苗NPQ和DEPS动态变化的影响

3.9 DTT和AsA对黄瓜幼苗NPQ和DEPS的影响

4 讨论

全文讨论

1 根际低氧胁迫对黄瓜植株的伤害及其适应性反应

2 低氧胁迫下黄瓜幼苗体内多胺种类和形态与植株低氧胁迫耐性的关系

3 外源多胺与黄瓜植株低氧胁迫耐性的关系

4 外源Spd对低氧胁迫下黄瓜幼苗的生理调节功能

全文结论

创新之处

参考文献

附录一：图版

附录二：发表论文

致谢