李楊洋 焦湞
(鄭州大學(xué)離子束生物工程省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450052)
冬小麥以及半冬性小麥多種植于我國(guó)華北及華中地區(qū),低溫馴化是小麥順利進(jìn)入越冬期的關(guān)鍵。據(jù)中國(guó)氣象局統(tǒng)計(jì),2016年11月中旬至12月中旬,河南省平均高溫11℃,平均低溫2℃,最低溫度達(dá)-5℃,而2015年11月中旬至12月中旬,河南省省平均高溫7℃,平均低溫1℃,最低溫度-7℃。2015年-2016年冬季北方冬麥區(qū)大部分平均氣溫接近常年同期或偏高1-2℃,但氣溫起伏較大,先后遭受4次強(qiáng)寒潮等極端天氣過(guò)程襲擊,冬小麥入冬早,冬前生長(zhǎng)不足,個(gè)體偏弱[1]。小麥在經(jīng)過(guò)極端天氣襲擊后,提前入冬,引發(fā)初冬凍害,不利于小麥后期生長(zhǎng)發(fā)育。因此,增強(qiáng)小麥低溫脅迫的耐受能力具有重要意義。
高等植物體內(nèi)生理生化水平可有效反映植物受冷凍害程度,在此過(guò)程中,一些抗氧化酶如超 氧 化 物 歧 化 酶(Superoxide dismutase,SOD)、過(guò)氧化物酶(Peroxidase,POD)、過(guò)氧化氫酶(Catalase,CAT)能有效清除細(xì)胞內(nèi)過(guò)多的自由基和活性氧,達(dá)到抗寒或緩解傷害的效果[2]。丙二醛(Malondialdehyde,MDA)是脂膜過(guò)氧化作用產(chǎn)物之一,對(duì)機(jī)體有毒害作用,MDA大量積累會(huì)造成膜透性增大,電解質(zhì)外滲,使細(xì)胞膜受到損傷[3]。植物細(xì)胞中游離脯氨酸有極強(qiáng)的親水性,能夠防止細(xì)胞水分流失、降低冰點(diǎn),穩(wěn)定細(xì)胞原生質(zhì)體和代謝活動(dòng)[4]。可溶性蛋白作為植物細(xì)胞中酶的重要組成成分,參與多種細(xì)胞生命代謝活動(dòng),是植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),也是植物冷凍害指標(biāo)之一[3]。
CBF(C-repeat binding factors)是一類冷調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子,隸屬于AP2/EREBP轉(zhuǎn)錄因子家族,對(duì)調(diào)節(jié)植物低溫耐受性有重要作用。已有研究表明,CBF冷調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)ICE-CBF-COR通路對(duì)植物低溫耐受起到了重要作用[5]。當(dāng)植物體受到低溫脅迫后,CBF轉(zhuǎn)錄激活因子(Inducer of CBF expression ICE)誘導(dǎo)CBF表達(dá)[6],而后CBF與下游冷調(diào)控基因(Cold-regulated gene COR) 中 的 CRT(C-repeat element CRT/DRE)元件結(jié)合,誘導(dǎo)COR下游基因的表達(dá)[7],從而提高植物低溫耐受能力。CRT/DRE原件含有CCGAC核心序列(Low temperatureresponsive element,LTRE),該序列普遍存在于冷誘導(dǎo)和脫水誘導(dǎo)基因的啟動(dòng)子中,為這類基因的誘導(dǎo)表達(dá)所必需[8]。因此,CBF基因家族的表達(dá)是植物在分子水平抗寒機(jī)制的關(guān)鍵途徑之一[9]。
茉莉酸甲酯(Methyl jasmonate,MeJA)是一種茉莉酸(Jasmonic acid,JA)類似物,廣泛存在于高等植物體內(nèi),是天然合成的新型生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)[10]。經(jīng)研究,MeJA在植物生長(zhǎng)發(fā)育中起著重要的作用,可抑制花粉粒萌發(fā)、促進(jìn)葉片衰老、果實(shí)成熟、誘導(dǎo)塊莖形成、誘導(dǎo)卷須卷曲以及促進(jìn)葉片氣孔關(guān)閉[11-12]。內(nèi)源茉莉酸類物質(zhì)在植物受到傷害脅迫時(shí),會(huì)與其他內(nèi)源信號(hào)分子如水楊酸、脫落酸、乙烯等誘導(dǎo)相關(guān)抗逆基因的表達(dá)。因此,外源MeJA的噴施有望成為提高小麥抗寒能力的新途徑[13]。
本研究以華北及華中地區(qū)種植較廣的矮抗58小麥品種為材料,分別經(jīng)過(guò)雙蒸水與外源MeJA噴施小麥幼苗后,測(cè)定小麥在冷馴化條件下的成活率、抗氧化酶活性、MDA含量、脯氨酸及可溶性蛋白含量,并結(jié)合實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)分析抗寒應(yīng)答因子TaCBFⅣd-B4、TaCBFⅢd-B19、TaCBFⅢc-D3和TaCBFⅢd-D19在冷馴化條件下的表達(dá)量,以探究外源MeJA對(duì)小麥對(duì)低溫脅迫抵抗能力的調(diào)控效應(yīng),從而為提高小麥在冷馴化條件下的抗寒能力提供一種可行性技術(shù)手段。
供試小麥品種為矮抗58,由鄭州大學(xué)離子束實(shí)驗(yàn)室提供。MeJA飽和溶液購(gòu)于上海瑞永生物技術(shù)有限公司。
1.2.1 外源MeJA噴施和冷馴化處理 實(shí)驗(yàn)設(shè)兩組小麥幼苗:雙蒸水低溫處理(對(duì)照組)和外源MeJA噴施低溫處理(實(shí)驗(yàn)組),每組50株小麥幼苗,每組設(shè)3組重復(fù),小麥種子經(jīng)0.1%HgCl2表面消毒15 min,蒸餾水清洗3次,浸種24 h后播種于蛭石、細(xì)沙的培養(yǎng)缽中,每缽10株,每5 d澆灌一次培養(yǎng)液(Hoagland 全營(yíng)養(yǎng)液),于4 000 lx,25℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至三葉期后,使用雙蒸水對(duì)對(duì)照組小麥幼苗葉片進(jìn)行噴施,使用濃度為100 μmol/L的MeJA對(duì)實(shí)驗(yàn)組小麥幼苗葉片進(jìn)行噴施后將幼苗置于4℃低溫條件下處理7 d,第7天后分別取兩組小麥葉片4 g經(jīng)液氮處理后低溫保存以備用[14]。
1.2.2 生理生化指標(biāo)測(cè)定 小麥幼苗低溫傷害部位主要為葉片,多發(fā)萎蔫干枯失綠,隨后發(fā)黃變干死亡[15]。7 d低溫處理后,統(tǒng)計(jì)成活率;SOD、POD、CAT、MDA、脯氨酸和可溶性蛋白的測(cè)定參考高俊鳳、張志良等方法[16-17],使用Thermo ScientificTMVarioskanTMLUX 多功能微孔板讀數(shù)儀測(cè)定吸光度。1.2.3 TaCBFs抗寒應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子qRT-PCR分析 取兩組小麥幼嫩葉片,TRizol試劑快速提取法提取 RNA[18],反轉(zhuǎn)錄體系為 120 μL,20 μL 模板,使用oligo-dT引物法將RNA轉(zhuǎn)錄為cDNA[19]。根據(jù)GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)提供的TaCBFⅣd-B4(EF028781)、TaCBF Ⅲ d-B19(EF028767)、TaCBF Ⅲ c-D3(EF028760)和 TaCBFⅢ d-D19(EF028768)基因序列信息[9],利用Primer Premier 5.0設(shè)計(jì)引物序列,以GDPDH為參照基因,如表1。使用SYBR Green作為熒光顯示劑進(jìn)行熒光實(shí)時(shí)定量PCR,反應(yīng)總體系為15 μL,正反向引物各0.3 μL,cDNA模板 1 μL,SYBR Green 7.5 μL,雙蒸水 5.9 μL,反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性2 min,94℃變5 s,62℃退火20 s,72℃延伸20 s,40個(gè)循環(huán),65℃15 s生成溶解曲線,40℃冷卻30 s。每個(gè)樣品設(shè)3次重復(fù)。
1.2.4 數(shù)據(jù)處理分析 使用Excel 2007軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖,使用IBM SPSS statistics13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及顯著性檢驗(yàn)?;虮磉_(dá)量分析使用相對(duì)定量分析中的2-△△Ct法分析[20],計(jì)算所得全部數(shù)據(jù)將處理組矯正為1,以1作為相對(duì)表達(dá)量,實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)為其相對(duì)倍數(shù)。
表1 參照基因和TaCBFs抗寒應(yīng)答因子引物序列
2.1.1 成活率 低溫處理后對(duì)照組3組小麥幼苗成活率平均為84%;而經(jīng)過(guò)外源MeJA噴施的低溫處理的3組小麥幼苗成活率平均數(shù)達(dá)到91%。除小麥葉片干枯發(fā)黃凍死外,冷處理后小麥葉尖有發(fā)黃干枯現(xiàn)象,以低溫處理組小麥發(fā)生居多。結(jié)果(圖1)表明,外源MeJA噴施可以減輕小麥?zhǔn)艿蜏貍Γ瑥亩岣叱苫盥?,減少幼苗損失。
圖1 矮抗58小麥幼苗成活率
2.1.2 SOD活性、CAT活性、POD活性以及MDA含量 如圖2所示,經(jīng)過(guò)外源MeJA噴施進(jìn)行低溫處理后的小麥幼苗中SOD、CAT和POD三種抗氧化酶活性較對(duì)照組分別提高了34%、50%和14%,MDA含量降低了5%。結(jié)果表明,低溫處理后,外源MeJA的噴施可以有效提高小麥幼苗中SOD、CAT、POD抗氧化酶活性,同時(shí)降低MDA含量,通過(guò)提高抗氧化酶活性以降低小麥幼苗細(xì)胞損傷,提高小麥低溫耐受能力。
2.1.3 可溶性蛋白和游離脯氨酸含量 如圖3所示,外源MeJA噴施低溫冷處理后小麥幼苗中可溶性蛋白和游離脯氨酸含量較對(duì)照組分別提高了30%和14%。結(jié)果表明,在低溫處理后,外源MeJA的噴施可以有效提高小麥幼苗中的可溶性蛋白含量和游離脯氨酸含量,以此提升小麥抗低溫能力。
如圖4所示,經(jīng)過(guò)外源MeJA噴施低溫處理實(shí)驗(yàn)組小麥幼苗中TaCBFⅣd-B4、TaCBFⅢd-B19、TaCBFⅢc-D3和TaCBFⅢd-D19表達(dá)量較對(duì)照組有明顯的提高,其中CBFⅣd-B4熒光表達(dá)量在4個(gè)基因中最高,CBFⅣd-B4基因表達(dá)量為對(duì)照組34.78倍,TaCBFⅢc-D3基因表達(dá)量為對(duì)照組的24.2倍,CBFⅢ3d-B19基因表達(dá)量為對(duì)照組的21倍,CBFⅢd-D19基因表達(dá)量為對(duì)照組的19.93倍。4個(gè)基因表達(dá)量結(jié)果皆表現(xiàn)為上調(diào)表達(dá)。結(jié)果表明,外源MeJA的噴施可以有效促進(jìn)TaCBFⅣd-B4、TaCBFⅢd-B19、TaCBFⅢc-D3和TaCBFⅢd-D19的表達(dá)以應(yīng)對(duì)冷環(huán)境脅迫。
圖2 矮抗58小麥幼苗中SOD(A)、CAT(B)、POD(C)活性及MDA(D)含量
圖3 矮抗58小麥幼苗中可溶性蛋白(A)及游離脯氨酸(B)含量
小麥在進(jìn)入越冬期之前會(huì)有較長(zhǎng)的低溫期,在經(jīng)受低溫脅迫時(shí),小麥中抗寒應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子CBF基因家族參與低溫脅迫抗逆代謝,CBF轉(zhuǎn)錄因子在干旱、高鹽及低溫脅迫信號(hào)傳遞中能夠起到重要作用[21-22]。近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)小麥CBF家族基因的研究主要為轉(zhuǎn)基因以及抗寒誘導(dǎo)機(jī)制方面。CBF轉(zhuǎn)錄因子可激活具有DRE順式作用原件的多個(gè)與干旱、高溫及低溫耐性有關(guān)功能基因的表達(dá),從而使得小麥的抗逆性提高[23]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,外源茉莉酸甲酯噴施后,小麥幼苗抗寒應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子TaCBFⅣ d-B4、TaCBFⅢ 3d-B19、TaCBFⅢ c-D3和TaCBFⅢd-D19熒光表達(dá)量較低溫處理組明顯升高,表明在100 μmol/L濃度下外源MeJA可以誘導(dǎo)以上基因的表達(dá)。進(jìn)一步說(shuō)明,通過(guò)外源茉莉酸甲酯誘導(dǎo)抗寒基因的表達(dá),可以促進(jìn)小麥細(xì)胞內(nèi)部生理生化機(jī)制的抗寒反應(yīng),生成小麥抗逆相關(guān)酶及抗逆物質(zhì),從而提高小麥抗低溫能力。
當(dāng)小麥?zhǔn)艿降蜏孛{迫時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS),會(huì)對(duì)脂膜、蛋白以及遺傳物質(zhì)造成傷害,MDA是細(xì)胞脂膜過(guò)氧化后的產(chǎn)物,而SOD、CAT及POD等抗氧化酶可以有效清除ROS,降低MDA含量??扇苄缘鞍缀陀坞x脯氨酸可以調(diào)節(jié)胞內(nèi)滲透壓,降低小麥細(xì)胞基質(zhì)冰點(diǎn),以此保護(hù)細(xì)胞免受低溫處理的傷害[24-25]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,外源MeJA噴施的處理組小麥幼苗中SOD、CAT、POD抗氧化酶含量較對(duì)照組明顯提高,同時(shí)降低了脂膜過(guò)氧化產(chǎn)物MDA含量,可溶性蛋白和脯氨酸含量也明顯升高,有效提高了小麥幼苗的抗寒耐受能力,這與齊付國(guó)等[14]和劉彧等[26]研究結(jié)果相似。已有研究表明,外源MeJA可促進(jìn)細(xì)胞衰老[27]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)外源MeJA噴施后低溫處理的小麥幼苗存活率顯著升高,降低了小麥死亡率,保證了后期小麥的產(chǎn)量。此外,外源MeJA除提高小麥抗寒能力以及其他環(huán)境脅迫抵抗能力之外,還能有效提高小麥抗病性,如白粉病、赤霉病和銹?。?8-29]。
有研究表明,在低溫環(huán)境下,外源茉莉酸甲酯的噴施可以有效提高小麥內(nèi)源茉莉酸的含量[30],而內(nèi)源茉莉酸可有效應(yīng)對(duì)小麥?zhǔn)艿降膫σ约安≡w入侵,當(dāng)小麥?zhǔn)艿降蜏伛Z化后內(nèi)源茉莉酸含量下降,直至第7天開(kāi)始回升[31]。生理生化水平及分子水平皆顯示,外源茉莉酸甲酯的噴施可有效提高小麥幼苗的耐寒能力。除此之外,有研究表明,外源水楊酸、赤霉素和脫落酸與茉莉酸甲酯有相似的作用[32-33]。目前,對(duì)于外源茉莉酸甲酯在小麥育種生產(chǎn)中的應(yīng)用還不成熟,原因可能是茉莉酸類物質(zhì)在植物體中的作用和作用機(jī)制還不夠清楚。另外,茉莉酸類物質(zhì)在市場(chǎng)售價(jià)較高,針對(duì)大面積作物的使用不夠經(jīng)濟(jì)。因此,外源茉莉酸甲酯對(duì)冷處理小麥的作用和作用機(jī)制還需進(jìn)一步地在分子和蛋白水平展開(kāi)研究。
圖4 矮抗58小麥幼苗中CBF IV d-B4(A)、CBF III 3d-B19(B)、TaCBF III c-D3(C)和CBF III d-D19(D)熒光表達(dá)量
4℃低溫處理7 d后,外源MeJA的噴施能顯著提高小麥抗氧化酶活性及可溶性蛋白和脯氨酸含量、降低MDA含量,促進(jìn)抗寒應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子TaCBFⅣ d-B4、TaCBFⅢ 3d-B19、TaCBFⅢ c-D3、TaCBFⅢd-D19的表達(dá),提高矮抗58小麥幼苗的低溫耐受性。綜上,通過(guò)對(duì)小麥幼苗葉片噴施茉莉酸甲酯能夠有效提高小麥幼苗的低溫耐受能力。
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