外源Ca对高温强光胁迫下小麦叶绿体D1蛋白周转及光合作用的影响

摘要

小麦是我国第二大粮食作物，也是我国北方最主要的粮食作物，其丰欠程度直接影响到人民的生活水平和国民经济发展。然而，在决定小麦产量形成的灌浆期，常常遭遇连续高温和强光的双重胁迫，导致光合机构破坏，叶片功能过早衰退，灌浆不充分，造成产量下降、品质变劣。因此，研究高温强光对小麦光合机构的破坏机理及防护措施，对于提高小麦产量和品质，增加农民收入，稳定物价水平，全面建设小康社会具有重要理论与实际意义。研究表明，Ca2+不仅作为植物体内的中量元素而存在，更重要的是作为偶联胞外信号与胞内生理生化反应的第二信使。本试验从10mmol·L-1、20mmol·L-1，40mmol·L-1三种浓度的CaCL2中选取了最适浓度-10mmol·L-1CaCL2，研究了Ca2+对高温强光胁迫下小麦抗氧化代谢、渗透调节、细胞膜稳定性、叶绿素荧光参数、电子传递速率及D1蛋白的影响，旨在阐明其对光合机构防护作用的机理，为生产中采取抗逆技术提供理论依据。主要结果如下： 1.外源Ca2+提高了高温强光胁迫下小麦叶片对活性氧的清除能力 因为SOD的活性受其底物浓度的诱导，在各生育时期的胁迫初期，受（）含量增加的刺激，SOD活性增强，但随着胁迫时间的延长和胁迫程度的加深SOD活性义急剧下降。受底物浓度的影响，APX活性变化趋势和SOD相似。虽然叶面喷施Ca2+没有改变SOD和APX活性先增加后下降的趋势，但是喷施Ca2+的处理SOD和APX活性始终高于W处理，甚至在胁迫3h时仍接近于CK处理，并且在随后的恢复阶段，SOD和APX活性迅速恢复，均能恢复到CK水平，而W处理在随后的恢复阶段没有恢复到CK水平。同时，Ca2+对于CAT的活性下降也起到了较好的抑制作用。所以Ca2+使高温强光胁迫下的小麦叶片相对维持了较高的清除活性氧的能力，减少了高温强光胁迫条件下自由基的积累，缓解了其对生物膜系统的伤害，使膜脂过氧化程度降低，因而原生质膜的通透性变小，离子渗漏减少。说明Ca2+对高温强光胁迫下的小麦叶片细胞膜起到了一定的保护作用。 2.外源Ca2+提高了高温强光胁迫下小麦叶片的渗透调节能力 植物的抗逆性与体内游离脯氨酸、可溶性糖和蛋白质等物质密切相关。叶面喷施Ca2+增加了高温强光胁迫下胁迫下植株体内脯氨酸和可溶性糖的积累，起到了渗透调节的作用。其中脯氨酸对逆境胁迫更加敏感，胁迫时小麦叶片脯氮酸含量迅速积累，在随后的恢复阶段Ca2+处理义可以有效的抑制脯氨酸含量的降低。可溶性糖的含量随胁迫时间的延长而增加，胁迫时间和胁迫程度越深，其积累量越多，在恢复阶段的变化趋势与脯氨酸相似。从总可溶性蛋白凝胶电泳图谱也可以看山胁迫3h时90KD蛋白条带消失，还有一些小分子量蛋白含量明显降低。而Ca2+处理可溶性蛋白含量基本没有变化，从可溶性蛋白电泳图可以看出虽然部分蛋白含量降低，甚至消失，但是又有新的蛋白形成。 3.外源Ca2+提高了高温强光胁迫下小麦叶片光合作用的潜能和效率 高温强光胁迫下光合电子传递受阻，PSⅡ光化学效率降低，PSⅡ反应中心失活，净光合速率降低。高温强光胁迫对PSⅠ电子传递速率的影响明显小于PSⅡ，说明光抑制的主要部位是PSⅡ。在小麦经受高温强光胁迫之前，喷施10mmol·L-1的CaCl2后，有效抑制了逆境对D1蛋白伤害，从而维持了较高的全链电子传递速率、PSⅠ、PSⅡ电子传递速率、Pn、Fv/Fm、ФPSⅡ、qP和较低的Fo。Ca2+处理在经过3h的暗恢复之后电子传递速率和叶绿素荧光基本恢复，而W在随后的恢复阶段并没有恢复到胁迫前的水平。说明Ca2+处理仅仅发生了可逆失活，W则可能发生了不可逆的失活。由此可以说明，外源Ca2+提高了高温强光胁迫下小麦叶片光合作用的潜能和效率。 4.外源Ca2+抑制了高温强光胁迫下小麦叶片D1蛋白的降解增加了*D1蛋白 PSⅡ复合体的D1蛋白是逆境对光合机构破坏的主要靶位，D1蛋白的破坏不仅会导致PSⅡ反应中心结构的变化，而且很可能还会引起电子传递的受阻。 试验结果显示，在高温强光胁迫前引入D1蛋白抑制剂，胁迫3h后D1蛋白含量明显减少，只有不到CK的50％。而W处理小麦叶片D1蛋白含量在抑制3h后也降低，但其含量仍明显高于抑制剂处理，经过3h的恢复后W处理的D1蛋白含量并未恢复到胁迫前水平，说明D1蛋白破坏后的从头合成可能是一个较长时期的过程。喷施Ca2+后再进行高温强光胁迫，其D1蛋白含量没有明显的降低，在随后的恢复阶段中又恢复到胁迫前水平。磷酸化D1蛋白表现出与非磷酸化D1蛋白相同的变化趋势，叶面喷施Ca2+稳定并增加了高温强光逆境下小麦叶片D1蛋白磷酸化的水平，在高温强光胁迫时，Ca2+预处理的D1蛋白磷酸化水平均比水预处理高，有利于D1蛋白的高效修复和周转。 综合本研究结果，一方面，外源Ca2+能够增加高温强光胁迫下小麦叶片脯氨酸含量和可溶性糖含量，增强胁迫条件下膜脂稳定性，减少电解质外渗。另一方面，外源Ca2+能够增加高温强光胁迫下小麦叶片活性氧清除酶系统SOD、APX、CAT的活性，加强其对ROS的清除能力，减少活性氧对D1蛋白的破坏，从而保持较高的全链电子传递速率、PSⅠ、PSⅡ电子传递速率、Pn、Fv/Fm、ФPSⅡ、qP和较低的Fo。最终表现在对光和机构的保护，保持较高的光合效率，增强干物质的积累。