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        高光效水稻品種對氧化脅迫的響應(yīng)

        2012-03-07 03:00:52朱宏芳孟衛(wèi)衛(wèi)王榮富靳光遠(yuǎn)曹樹青
        關(guān)鍵詞:丙二醛活性氧葉綠素

        朱宏芳, 韓 宇, 孟衛(wèi)衛(wèi), 王榮富, 靳光遠(yuǎn), 曹樹青

        (1.合肥工業(yè)大學(xué) 生 物與食品工程學(xué)院,安徽 合 肥230009;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 生 物技術(shù)中心,安徽 合 肥 230036)

        0 引 言

        水稻是全球重要的糧食作物,環(huán)境中的氧化脅迫所造成的活性氧代謝紊亂對細(xì)胞的毒害使得全球水稻在產(chǎn)量、品質(zhì)上的下降及其經(jīng)濟(jì)損失是驚人的。如何有效地清除過多的活性氧,調(diào)節(jié)活性氧的產(chǎn)生與清除平衡,最大限度地降低活性氧的毒害作用,已成為當(dāng)今植物抗性機(jī)理研究的一個熱點(diǎn)[1-3]。

        本文以鎮(zhèn)江農(nóng)科所選育優(yōu)質(zhì)品種鎮(zhèn)稻11號為對照,研究本實(shí)驗(yàn)室特有高光效水稻品種楊育粳1號在甲基紫精脅迫下的響應(yīng),試圖闡明水稻對氧化脅迫的響應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)理。本研究不僅有助于揭示植物對活性氧的解毒機(jī)理,而且可以獲得抗氧化脅迫高產(chǎn)水稻品種[4-5],為水稻高光效生理育種提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

        1 材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料及培養(yǎng)

        實(shí)驗(yàn)材料為楊育粳1號(高光效水稻)和鎮(zhèn)稻11號(由江蘇鎮(zhèn)江農(nóng)科所提供)。

        采用土培法,營養(yǎng)土配方為:V(蛭石)∶V(黑土)∶V(珍珠巖)=9∶3∶0.5。播種于裝有營養(yǎng)土的花盆中,置于光周期為光照16h、黑暗8h,溫度為26~30℃、光照強(qiáng)度為800μmol/(m2·s)的條件下培養(yǎng)。

        1.2 主要儀器

        GN1152型電子天平由上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);752型紫外可見分光光度計由上海光譜儀器有限公司生產(chǎn);臺式高速冷凍離心機(jī)由美國貝克曼庫爾特有限公司生產(chǎn);BCD-186SY海爾可變溫冰箱由青島海爾集團(tuán)有限公司生產(chǎn)。

        1.3 試劑

        Revert AidTM First Strand cDNA Synthesis Kit K1621購于Fermentas公司;TakaRa Taq Polymerase(5U/μL),10×PCR buffer,dNTPs,PCR引物;其余均為國產(chǎn)試劑,分析純。

        1.4 實(shí)驗(yàn)方法

        本實(shí)驗(yàn)設(shè)0、1、5、20μmol/L 4個濃度的甲基紫精溶液,分別處理實(shí)驗(yàn)組和對照組,然后統(tǒng)計表型指標(biāo)株高和鮮重;測定生化指標(biāo)葉綠素質(zhì)量比、丙二醛含量;分析氧化脅迫相關(guān)基因的表達(dá)。

        1.4.1 甲基紫精處理下植株表型統(tǒng)計

        其中,Xi為植株主干高度;S2為根長方差。鮮重統(tǒng)計方法類似株高。

        1.4.2 葉綠素質(zhì)量比的測定

        w(葉綠素a)=13.95A665-6.88A649;

        w(葉綠素b)=24.96A649-7.32A665,

        w(葉綠素a、b)=6.63A665-18.08A649。

        1.4.3 丙二醛含量的測定

        測定每g樣品鮮重中的丙二醛(MDA)的量(μmol),公式為:

        MDA含量 = [6.452(A532-A600)-0.559A450]VtVs/Fw。

        其中,Vt為提取液總體積;Vs為測定用提取液體積;Fw為樣品鮮重。

        1.5 相關(guān)基因表達(dá)分析

        Trizol法抽提水稻總RNA,合成全基因組cDNA,設(shè)計引物,RT-PCR擴(kuò)增目標(biāo)基因,瓊脂糖凝膠電泳檢測相關(guān)基因,分析電泳圖譜。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 氧化脅迫對水稻幼苗的表型影響

        甲基紫精是觸滅殺生性除草劑百草枯的主要成分[6],具有強(qiáng)氧化性。不同處理下水稻的表型比較如圖1所示,由圖1可知,2種水稻材料的生長均受到氧化劑甲基紫精抑制,抑制作用隨甲基紫精濃度升高呈梯度增強(qiáng)。不同處理下幼苗株高和鮮重的比較如圖2所示。

        圖1 不同處理下水稻的表型比較

        圖2 不同處理下幼苗株高和鮮重比較

        由圖2可以得出,鎮(zhèn)稻11號所受抑制作用要比楊育粳1號更為明顯。結(jié)果表明,經(jīng)甲基紫精處理的水稻幼苗,由于氧化劑所造成的氧化脅迫,使得植株體內(nèi)正常的活性氧代謝系統(tǒng)失衡,水稻幼苗積累了過多的活性氧(ROS),結(jié)果造成細(xì)胞損傷[7],并且楊育粳1號對氧化脅迫的耐受性強(qiáng)于鎮(zhèn)稻11號。

        不同處理下丙二醛含量比較如圖3所示,由圖3可知,植株中MDA含量隨甲基紫精濃度升高而遞增,并且相對光合速率較低的鎮(zhèn)稻11號植株體內(nèi)的丙二醛含量顯著升高。在甲基紫精溶液濃度為0、1、5、20μmol/L的條件下,與鎮(zhèn)稻11號相比,楊育粳1號的丙二醛含量分別減少了0.13%、8.13%、13.57%、22.94%。表明高光效水稻楊育粳1號對氧化脅迫具有較強(qiáng)的耐受性。

        圖3 不同處理下丙二醛含量比較

        2.2 甲基紫精對水稻葉綠素質(zhì)量比的影響

        不同處理下葉綠素的質(zhì)量比如圖4所示。

        圖4 不同處理下葉綠素質(zhì)量比的比較

        從圖4可以看出,甲基紫精會使得葉綠素a和葉綠素b的質(zhì)量比減少,使得其光合速率降低,生產(chǎn)力降低,進(jìn)而會影響水稻的產(chǎn)量。而且,甲基紫精對鎮(zhèn)稻11號的抑制作用比楊育粳1號要強(qiáng)得多。在甲基紫精溶液為0、1、5、20μmol/L的條件下,葉綠素a的質(zhì)量比在楊育粳1號中分別是鎮(zhèn)稻11號的1.05、1.20、1.78、2.01倍;葉綠素b的質(zhì)量比是鎮(zhèn)稻11號的1.11、1.34、2.33、2.89倍。由此可見,高光效水稻楊育粳1號對氧化脅迫的耐受性較高。

        2.3 植株幼苗中氧化脅迫相關(guān)基因的表達(dá)

        活性氧解毒酶是活性氧解毒系統(tǒng)中具有高效專一性解毒作用的一類蛋白質(zhì)。主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)等[8]。SOD的活性升高或降低,表現(xiàn)為植株對環(huán)境抗性的強(qiáng)弱。可以通過植物體內(nèi)SOD活性水平判斷其抗逆性及受脅迫的程度。同樣,若能夠使APX、CAT酶活性顯著升高,則可使超氧陰離子自由基(O2-)產(chǎn)生的速率顯著下降,脂質(zhì)過氧化作用極大地減弱。分別選擇SOD、APX及CAT家族的SODA1、APX2及CATB做相關(guān)基因分析,如圖5所示,圖5中,1為楊育粳1號,2為鎮(zhèn)稻11號。

        由圖5可看出,三者mRNA表達(dá)量均隨甲基紫精濃度遞增呈梯度增加。且同一誘導(dǎo)濃度下SODA1的mRNA在楊育粳1號中的增加量明顯高于對照中的;5μmol/L甲基紫精誘導(dǎo)下楊育粳1號中APX2的mRNA表達(dá)量也高于鎮(zhèn)稻11號,CATB則差異不大。由此可見在甲基紫精梯度誘導(dǎo)下,2個品種中的SOD、APX、CAT活性不斷增強(qiáng),并且高光效水稻中SOD的活性較對照呈現(xiàn)明顯的特異性增強(qiáng),APX次之。據(jù)此推斷楊育粳1號的高光效與其體內(nèi)活性氧解毒酶的活性增強(qiáng),清除體內(nèi)氧自由基及過氧化氫能力增加,對氧化脅迫耐受性提高有關(guān)。

        圖5 相關(guān)基因表達(dá)分析

        3 結(jié) 論

        在濃度為20μmol/L甲基紫精下,楊育粳1號的表型特征與生化指標(biāo)明顯優(yōu)于鎮(zhèn)稻11號,并且凝膠成像分析表明,前者氧化脅迫相關(guān)基因SODA1、APX2的表達(dá)量明顯高于后者,說明其高光合效率與編碼自身活性氧平衡系統(tǒng)中抗氧化酶的基因活性增加有關(guān)。

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