钙缓解黄瓜幼苗NaCl胁迫伤害的蛋白质组学及光合碳代谢研究

【摘要】盐渍化对农业生产的威胁是一个全球性的热点问题,近年来,随着我国园艺作物设施栽培的快速发展,设施土壤次生盐渍化问题日趋突出,严重影响作物的生育和产量。通过各种有效手段来提高植株的耐盐性具有重要意义。Ca2+对植物抗逆性的研究比较多,特别是在耐盐性方面,相关研究已经从植株生理生态、生长发育、生理代谢、基因表达等水平阐明了Ca2+提高植株耐盐性的机理,但在高通量的蛋白质组学方面鲜有报道。本研究采用营养液栽培,以盐敏感型黄瓜品种‘津春2号’为试材,研究了叶面喷施外源CaCl2对75mmol·L-1NaCl胁迫下蛋白质组表达的影响,根据差异蛋白质谱鉴定结果,结合mRNA转录水平、光合气体交换参数、叶绿素荧光参数、碳水化合物的积累等,探讨外源钙缓解黄瓜幼苗盐胁迫伤害的生理机制和分子基础。主要研究结果如下：75mmol·L-1NaCl胁迫使黄瓜幼苗地上部和根系鲜重、干重显著下降,植株株高和茎粗也显著降低,表明盐胁迫显著抑制了黄瓜幼苗的生长,使植株生物量积累明显降低；叶面喷施不同浓度的Ca2+能不同程度地缓解盐胁迫对黄瓜幼苗生长的抑制,并具有明显的浓度效应,以4mmol·L-1CaCl2浓度缓解效果最佳,生物量较单纯盐胁迫提高75.4%。黄瓜幼苗叶片的可溶性蛋白含量在NaCl胁迫下显著下降,喷施Ca2+后在处理第3d时降低,第6d和9d时升高；NaCl胁迫下,黄瓜幼苗根系可溶性蛋白含量先小幅升高后显著降低,喷施Ca2+后先降低后升高。SDS-PAGE分析结果表明,盐胁迫下黄瓜叶片中有12种蛋白表达量发生明显变化,其相对分子量(×103)分别为：87.5、77.9、75.7、74.1、65.1、54.3、50.5、44.7、40.7、31.4、26.0和21.5；根系中则有7种蛋白表达量发生变化,其相对分子量(×103)分别为：81.1、76.6、46.9、45.2、39.5、23.8和16.8。NaCl胁迫和外源CaCl2处理条件下,共有50个蛋白点对盐胁迫和／或喷钙做出了响应,经质谱鉴定和功能分类后发现,这些蛋白点涉及光合作用及能量代谢、氨基酸及脂类代谢、胁迫防御、蛋白质及核酸生物合成、激素合成与信号转导及其他功能。NaCl胁迫对与光合作用及能量代谢的相关的蛋白影响最为明显,而外源CaCl2处理后卡尔文循环的增强,调节了糖酵解、磷酸戊糖途径关键酶和氨基酸及脂类代谢,提高胁迫防御相关蛋白,促进激素合成和信号转导等,在蛋白质水平上表现出积极的保护作用。选取10个编码光合及叶绿素合成关键酶的基因,如Rubisco大亚基(RbcL)、Rubisco小亚基(RbcS)、Rubisco活化酶(RCA)、放氧增强蛋白(psbO)和胆色素原脱氨酶(PBGD)等,研究盐和钙在基因转录水平的响应,进一步验证差异表达蛋白的编码基因在转录和翻译水平上的相关性。结果显示：PRK、Ald、petC、PBGD和Gsa5个候选转录子与相应的蛋白丰度表现出一致的转录积累特性。与卡尔文循环、光合电子传递、叶绿素合成相关的基因RbcL、PRK、petC、petH、PBGD、Gsa在盐胁迫下表达显著下调,而RbcS、psbO、Ald3个基因受到盐胁迫刺激表达上调。施加外源钙后,RCA、PRK、petH、Gsa受到钙的诱导积累量较单纯盐胁迫显著提高,表明钙在盐胁迫下调节黄瓜植株光合作用和叶绿素代谢关键酶中发挥重要作用。与对照相比,75mmol·L-1NaCl抑制了黄瓜幼苗叶片光合色素的合成,PSⅡ遭到破坏,植株的净光合速率降低46.9%,提高了叶片蔗糖、淀粉、可溶性总糖含量及蔗糖合酶(SS)、磷酸蔗糖合酶(SPS)活性,淀粉水解酶活性降低。与单纯盐胁迫相比,叶片喷施钙有效缓解了盐胁迫下幼苗光合色素合成及光合作用的下降,净光合速率提高18.5%；降低了植株叶片碳水化合物含量及SS、SPS活性,提高淀粉水解酶活性。说明外源钙可通过提高光合色素含量、调节气孔开张、维持PSⅡ活性、调节代谢相关酶活性等以减少碳水化合物积累对光合作用的负反馈抑制,从而缓解盐胁迫对光合作用的伤害,提高植株盐胁迫耐性。
【作者】严蓓；
【导师】郭世荣；
【作者基本信息】南京农业大学，蔬菜学，2013，硕士
【关键词】盐胁迫；黄瓜；钙；蛋白质组学；

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