低温驯化增强红树植物无瓣海桑(Sonneratia apetala)抗寒能力的差异蛋白质组学研究

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低温是一种重要的非生物胁迫因子,对植物的产量、分布具有重要的影响,特别是对生长、发育起着至关重要的作用。无瓣海桑(Sonneratia apetala)是一种重要的红树植物,自1985年从孟加拉国引入中国后,以其生长迅速、树体高大、结实率高、在抵御护花米草入侵中发挥重要作用等特点迅速成为红树林湿地生态恢复中的理想树种。但无瓣海桑对低温较敏感,不耐寒,因此温度成为其生长和分布的重要限制因子之一。本论文研究经低温驯化和未经低温驯化无瓣海桑响应寒害的生理变化以及差异表达蛋白特性,阐明无瓣海桑的可能耐寒机理,对了解无瓣海桑对低温的适应性具有重要的理论意义。  本研究结合植物生理生化和蛋白质组学研究技术,对经低温驯化和未经低温驯化的无瓣海桑进行了冷害胁迫的比较分析,以探索低温驯化的抗寒机制。实验选择经20、15、10℃梯度降温驯化和未经驯化的无瓣海桑置于5℃低温条件冷害处理0h、6h、12h、24h,研究其生理生化的响应机制。选取低温处理12h的无瓣海桑叶片,经双向电泳分离叶片全蛋白后,利用PDQuest图像分析软件进行分析,在重复性好、分辨率高的蛋白质双向电泳图中得到了600多个可识别的蛋白质斑点。主要研究结果如下:  (1)低温胁迫处理对无瓣海桑光合系统的影响较大,低温驯化能有效缓解低温对光合的抑制作用。随着低温胁迫处理时间的延长,无瓣海桑叶片净光合速率和气孔导度显著下降,胞间CO2浓度呈上升趋势。低温胁迫处理12h下的光响应曲线和叶绿素荧光值测定结果显示,低温胁迫下暗呼吸速率(Rd)和光补偿点(LCP)显著提高,且未驯化处理高于低温驯化处理;而最大净光合速率(Pn max)和光饱和点(LSP)显著降低,且未驯化组显著低于驯化处理组;此外,低温胁迫还严重抑制了叶片光合作用过程中光系统Ⅱ的光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学量子效率(ΦPSⅡ)和电子传递效率(ETR)等,而且这种抑制作用在未驯化组显著高于驯化处理组。  (2)经低温驯化和未经驯化的无瓣海桑幼苗在5℃冷害处理下,叶片细胞膜系统受到严重的损伤,细胞膜透性和膜脂过氧化程度随着低温胁迫处理时间的延长而增大,且未驯化组的伤害程度高于驯化处理组。此外,渗透调节物质与无瓣海桑低温调节机制密切相关。低温处理下,游离脯氨酸含量随低温处理时间的延长而持续增加,且低温驯化组的含量高于未经低温驯化组,说明脯氨酸是低温胁迫中重要的渗透调节物质。  (3)对低温胁迫处理12h下无瓣海桑叶片差异表达蛋白质用双向电泳技术进行了研究,图谱分析表明:在低温胁迫处理下共检测到102个蛋白丰度变化在2倍以上的差异表达蛋白。进一步经MALDI-TOF/TOF-MS分析,成功鉴定出85个差异表达蛋白,同对照组相比,未经低温驯化组共检测到55个差异表达蛋白,其中有25个蛋白表达量上调,30个蛋白表达量下调;低温驯化组共检测到71个差异表达蛋白,其中有44个蛋白表达量上调,27个蛋白表达量下调。在这些差异表达蛋白中,分别有20和11个蛋白在两种处理组中共同上调或下调表达。  (4)成功鉴定出的85个差异表达蛋白根据其功能可分为七类,包括光合作用相关蛋白、能量代谢相关蛋白、氨基酸代谢相关蛋白、蛋白合成、修饰、降解相关蛋白、细胞结构和细胞分裂相关蛋白、细胞防御响应相关蛋白、细胞转录和信号转导相关蛋白,以及5个未定名蛋白和推测蛋白。这些差异表达蛋白参与植物多种生理功能,表明低温驯化通过多种代谢途径增强无瓣海桑幼苗对低温胁迫的抗性。同时,亚细胞定位分析表明,大部分差异表达蛋白定位在叶绿体和细胞质中,少部分定位于细胞核和线粒体,极个别定位于其他位置。  (5)选取了9个差异表达蛋白的编码基因,通过实时荧光定量PCR分析,验证了低温驯化和未驯化无瓣海桑幼苗在响应低温胁迫时,这些蛋白在转录水平和翻译水平确实发生了表达变化。  综上,根据测定的生理指标以及鉴定的差异表达蛋白等,我们推测,低温驯化增强无瓣海桑幼苗的抗寒能力主要是通过缓解低温对无瓣海桑细胞膜的伤害,缓解低温对光合作用的抑制,加强能量产生与物质代谢,加快氨基酸和蛋白代谢以及加强了细胞分裂和细胞信号转导来实现的。
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