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一、转VTE1基因烟草对臭氧的响应
生育酚又称维生素E(VE),是一类重要的脂溶性抗氧化剂,是逆境下植物细胞膜上重要的效应物。生育酚环化酶(TC)是VE代谢途径中的关键酶,催化形成抗氧化芳香环并最终形成相应的生育酚,在拟南芥中TC是由VTE1编码的。本研究利用野生型烟草和不同VTE1转基因烟草株系(低、中、高含量VE)检验生育酚在植物响应臭氧中的作用,取得如下结果:
经过短时间(4 h)、高浓度(300 nmol mon-1)的臭氧急性熏蒸,野生型烟草(WT)和低生育酚含量的转基因烟草TP4P叶片出现典型的可见伤害症状,而在生育酚含量较高的转基因植株(TP12,TP27)叶片上,并未发现有明显受伤害症状。
臭氧的熏蒸导致烟草叶片中丙二醛含量增加,但在TP12和TP27中含量显著低于野生型烟草和TP4中的含量。臭氧处理增加了烟草的膜电导率,在熏蒸4 h后,TP12和TP27的相对电导率显著低于WT和TP4。含有高生育酚含量的转化苗积累的过氧化氢显著低于生育酚含量低的转化苗和野生型。
臭氧熏蒸4 h导致所有类型烟草中的净光合速率显著降低,但在WT和TP4的净光合速率受抑制情况要比TP12和TP27中迅速。蒸腾速率、气孔导度的变化情况与净光合速率类似。在恢复48 h后,蒸腾速率、气孔导度和净光合速率开始上升,在TP12和TP27中增加显著。胞间二氧化碳浓度在所有类型烟草中没有显著差异。
臭氧处理使得野生型烟草成熟叶细胞类囊体出现肿胀,基粒片层结构清晰程度下降,结构开始松散,细胞核出现异染色质凝集的现象,许多不连续的小块分布在整个核中;相反VTE1转基因烟草TP27细胞中类囊体的基质片层垛叠紧密,叶绿体片层结构清晰,类囊体排列有序,淀粉粒发育充盈,核结构保持完整。
这些结果表明,生育酚水平的提高可以保护植物抵御臭氧的伤害。根据这些结果,在高浓度臭氧地区,可以通过提高植物生育酚的含量降低臭氧对植物的毒害,从而保护和增加植物的生物学产量。
二、水稻幼苗对去叶的响应
放牧是一个复合的处理过程(包括机械性伤害、去营养器官、微生物侵染和动物唾液刺激或胁迫等),本实验室前期利用芯片技术分析了水稻去叶后的基因表达变化,发现涉及碳水化合物代谢的基因变化明显,但并未区分出该变化是由去叶还是创伤引起,或者是两者共同作用的结果。本研究在前期工作基础上,仍以禾草模式植物水稻作为研究模型,研究创伤与去叶胁迫0.5 h,1 h,2 h和6 h后,植物碳水化合物含量的变化,光合作用及碳水化合物合成、降解、转运关键基因的不同响应模式,探讨植物响应创伤和去叶的不同机制。
去叶和创伤后,水稻叶鞘和根中的葡萄糖、蔗糖及果糖的含量都降低,只是幅度不同,去叶后降低的更多。但淀粉含量在去叶后显著下降,而在创伤下没有显著变化。
通过半定量实验结果表明,与光合作用相关的几个基因在去叶和创伤后的变化差异不明显,而涉及淀粉降解有关的两个淀粉酶(β-淀粉酶和α-淀粉酶)和蔗糖转运蛋白(SUT1)基因表达差异显著;在去叶后的水稻中淀粉合成的两个关键酶一淀粉合成酶(SS)和颗粒结合淀粉合成酶(GBSS)基因的表达明显受到抑制,创伤后这两个基因表达略有所上升。
采用生物信息学分析,选择了三个β-淀粉酶基因进行荧光定量分析,结果表明水稻叶鞘和根中的β-淀粉酶基因表达显著受去叶处理的诱导。BAM5在叶鞘和根中均受去叶的显著诱导,在叶鞘中的表达略高于根中,但在根中的响应时间较快;BAM8在叶鞘和根中均受去叶诱导,在根中受诱导显著;BAM10表达在叶鞘中受去叶诱导显著。在创伤胁迫条件下,BAM8和BAM10仅有轻微响应。
去叶可以显著的诱导叶鞘和根中总β-淀粉酶的活性,而创伤后无论是叶鞘还是根中,总β-淀粉酶的活性变化都不大。启动子区域分析发现三个β-淀粉酶基因启动子区存在多种激素和胁迫应答元件,BAM5中有一个渗透胁迫响应元件。
这些结果表明,去叶后,植物失去了大量供应碳水化合物来源的光合器官,因此储藏的碳水化合物被动员起来,动员的过程中,β-淀粉酶、α-淀粉酶和蔗糖转运蛋白基因参与了其中碳水化合物的降解和转运。并可能通过OSK1和HXK5对碳水化合物的含量进行感知和转导。