低溫脅迫下甜菜堿對番茄葉片光合作用的保護機制.pdf

1、番茄是一種冷敏感作物，在溫室大棚種植過程中，經(jīng)常會遭受低溫弱光等環(huán)境脅迫。低溫脅迫會直接影響光合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及活性，冷敏感植物在低溫脅迫下光合速率下降的主要原因可能是光系統(tǒng)I（photosystem I，PSI）發(fā)生光抑制。低溫降低一些參與碳同化的酶的活性，降低CO2的同化能力。當植物光系統(tǒng)II（photosystem II，PSII）的電子流超過PSI電子受體的接受能力時，誘導產(chǎn)生大量的活性氧（reactive oxygen speci

2、es，ROS），PSI會發(fā)生光破壞。在響應非生物脅迫時，甜菜堿（glycinebetaine，GB）會大量積累，同時，甜菜堿的積累量與植物對非生物脅迫的抗性呈正相關(guān)關(guān)系。研究低溫脅迫下甜菜堿對番茄葉片光合作用的影響，揭示甜菜堿提高番茄耐冷機制及分子基礎，具有重要的理論意義和應用價值。
　　本研究中，利用轉(zhuǎn)甜菜堿醛脫氫酶（BADH）基因的番茄株系、野生型（WT）番茄以及外源施加甜菜堿處理的野生型（WT+GB）番茄為材料，研究了轉(zhuǎn)基因

3、植株合成的甜菜堿以及外源甜菜堿在低溫脅迫下對番茄葉片光合作用的維持以及對光系統(tǒng)II（PSII）、光系統(tǒng)I（PSI）的保護機制，主要結(jié)果如下：
　?。?）甜菜堿能減輕低溫脅迫對番茄生長的抑制，提高番茄的低溫抗性。正常生長條件下，轉(zhuǎn)BADH基因株系和野生型番茄的生長狀況一致，低溫脅迫后，各個株系番茄的生長（鮮重）受抑制，轉(zhuǎn)BADH基因番茄的生長受抑制程度較野生型番茄輕。同時外源施加甜菜堿番茄也能減輕這種抑制作用。
　?。?）甜菜

4、堿能減輕低溫脅迫對番茄葉片細胞膜的破壞，減少電解質(zhì)滲漏，減少細胞膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）的含量。低溫脅迫下，甜菜堿通過激活抗氧化酶清除系統(tǒng)，提高抗氧化酶活性和清除活性氧（ROS）的能力，減少細胞中ROS積累量。
　　（3）低溫處理后，野生型番茄葉綠體外膜和基粒片層發(fā)生破壞，其中轉(zhuǎn)基因株系番茄葉綠體的破壞程度較輕，部分片層還可以維持其正常結(jié)構(gòu)。表明甜菜堿對葉綠體的外膜以及基粒片層結(jié)構(gòu)有保護作用。
　?。?）低溫脅迫下，各

5、番茄株系葉片光合速率（Pn）明顯降低，轉(zhuǎn)BADH基因和外源施加甜菜堿都能夠降低低溫脅迫導致的Pn下降，并且甜菜堿可以減輕脅迫條件下氣孔導度的降低。低溫脅迫對卡爾文循環(huán)的羧化過程有抑制作用，降低卡爾文循環(huán)關(guān)鍵光合酶（sFBPase、GAPDH、Aldolase和Rubisco）的活性，甜菜堿可以減輕這種抑制作用。
　　（5）低溫脅迫下，番茄葉片的PSII最大光化學效率（Fv/Fm）降低，PSII發(fā)生光抑制。與野生型相比，低溫處理后，

6、轉(zhuǎn)BADH基因番茄表現(xiàn)出較高的Fv/Fm、ΦPSII和qP，同時外源甜菜堿也可以減輕PSII光抑制的發(fā)生。葉綠素熒光分析表明，在低溫脅迫下，與WT相比，轉(zhuǎn)BADH基因番茄和外源施加甜菜堿番茄的PSII活性受抑制程度較輕，QA捕獲的電子傳遞到QA以后的效率（Ψo），單位面積有活性反應中心數(shù)目（RC/CSm）都高于WT。低溫處理后的葉片QA不能還原（non-QA）和QB不能還原（non-QB）的反應中心數(shù)量都低于WT，表明甜菜堿能維持低溫脅

7、迫下線性電子傳遞鏈中電子從QA到QB的正常傳遞。
　?。?）甜菜堿提高PSI對低溫脅迫的抗性。低溫脅迫后，WT、轉(zhuǎn)基因株系和野生型外施甜菜堿株系的PSI的氧化還原速率均下降，但轉(zhuǎn)基因株系PSI的氧化還原速率的下降程度明顯低于WT。低溫導致PSI反應中心蛋白PsaA/B的含量降低，且在常溫恢復5天后，PsaA/B含量發(fā)生明顯降解，同樣，轉(zhuǎn)BADH基因株系和WT+GB番茄株系的PsaA/B含量的降低程度小于WT。
　?。?）甜菜

8、堿對PSI末端環(huán)式電子傳遞的調(diào)節(jié)有助于產(chǎn)生ATP，減少PSI末端傳遞給O2的電子數(shù)量，減少PSI末端ROS的產(chǎn)生，并且這種環(huán)式電子傳遞是Fd依賴的。
　?。?）離體葉片實驗結(jié)果表明，甜菜堿在低溫脅迫下對PSII的修復循環(huán)起作用。在D1蛋白合成抑制劑硫酸鏈霉素（SM）存在條件下，各番茄株系的Fv/Fm小于沒有SM處理的番茄株系。
　?。?）Western和BN-PAGE的分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)BADH基因番茄較野生型表現(xiàn)出較高的D1

9、、PsaA/B蛋白及Fd含量，甜菜堿可以提高低溫脅迫下蛋白復合體的穩(wěn)定性。
　　綜上所述，低溫脅迫下，甜菜堿除了可以通過滲透調(diào)節(jié)作用影響氣孔外，還可以通過保護番茄葉片的光合機構(gòu)來抵抗低溫脅迫。首先，甜菜堿可以減輕低溫脅迫對葉綠體外膜以及葉綠體片層結(jié)構(gòu)的破壞，通過維持線性電子傳遞鏈中QA到QB之間電子的正常傳遞，增加PSII的量子產(chǎn)量，并通過維持環(huán)式電子傳遞，增加ATP含量，加速低溫下D1蛋白的修復循環(huán)，從而減輕低溫對PSII的光抑