擴展蛋白與植物激素調(diào)節(jié)的干旱脅迫下小麥細(xì)胞生長的關(guān)系研究.pdf

1、干旱是作物生長過程中經(jīng)常遇到的逆境脅迫之一，近年來，由于氣候變化導(dǎo)致的干旱災(zāi)害呈逐年增加的趨勢。小麥?zhǔn)鞘澜缧缘募Z食作物，干旱脅迫嚴(yán)重影響小麥的生長和產(chǎn)量。研究小麥的抗旱生理及分子機制，通過遺傳操作增強小麥抗旱性，培育抗旱型小麥品種，對于保障小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重大意義。
　　 干旱逆境下植物最明顯的生理響應(yīng)是生長受到抑制。植物生長涉及到細(xì)胞伸長和細(xì)胞分裂兩個方面。業(yè)已證明，細(xì)胞的伸長生長比細(xì)胞分裂對干旱脅迫更敏感。細(xì)胞伸長生長過程取

2、決于兩個因素，一是膨壓驅(qū)動產(chǎn)生的生長動力，二是由于細(xì)胞壁剛性造成的生長阻力。早期的研究結(jié)果認(rèn)為，細(xì)胞膨壓在細(xì)胞伸長生長過程中起主導(dǎo)作用。后來越來越多的研究認(rèn)為，植物細(xì)胞壁的可塑性在調(diào)控植物細(xì)胞延伸生長對水分虧缺的應(yīng)答方面具有更重要的作用。擴展蛋白在克服細(xì)胞壁阻力，維持細(xì)胞伸長生長過程中具有重要作用。擴展蛋白是一種細(xì)胞壁蛋白，具有使熱失活細(xì)胞壁恢復(fù)伸展能力的特性。擴展蛋白通過打破細(xì)胞壁纖維素和半纖維素之間的氫鍵，促使兩者發(fā)生位移，來調(diào)節(jié)細(xì)

3、胞壁的伸展性。已有研究證明，擴展蛋白響應(yīng)外界環(huán)境脅迫，參與調(diào)節(jié)干旱條件下植物細(xì)胞的生長反應(yīng)。
　　 植物激素作為重要的信號調(diào)節(jié)物質(zhì)，不僅與植物的生長發(fā)育關(guān)系密切，而且在調(diào)節(jié)植物抗逆性過程中起著重要的作用。已有研究發(fā)現(xiàn)許多擴展蛋白基因的表達(dá)受到植物激素的調(diào)控。那么，擴展蛋白與植物激素調(diào)節(jié)的抗旱性之間是否存在關(guān)聯(lián)呢？小麥胚芽鞘細(xì)胞在胚中已經(jīng)分化完成，種子萌芽過程中的胚芽鞘生長主要是細(xì)胞的伸長生長，因此胚芽鞘是研究細(xì)胞伸長生長的模式材

4、料。在本研究中，選擇2個抗旱性不同的小麥品系抗旱型HF9703和干旱敏感型921842，取其胚芽鞘作為研究細(xì)胞伸長生長的材料，通過干旱脅迫處理和植物激素（ABA和IAA）處理，研究干旱脅迫條件下，植物激素對細(xì)胞伸長生長的調(diào)節(jié)作用，分析擴展蛋白在植物激素介導(dǎo)的小麥抗旱性中的作用。主要結(jié)論如下：
　　 1.擴展蛋白調(diào)節(jié)干旱脅迫下小麥胚芽鞘細(xì)胞伸長生長（1）干旱脅迫下小麥細(xì)胞伸長生長與擴展蛋白活性關(guān)系密切PEG模擬的干旱脅迫明顯抑制了

5、小麥胚芽鞘的伸長生長，抗旱性強的小麥品系HF9703 胚芽鞘生長明顯快于干旱敏感型的小麥品系921842。用擴展蛋白抗體作為擴展蛋白的作用抑制劑處理小麥胚芽鞘，明顯抑制了小麥胚芽鞘的伸長生長。干旱脅迫沒有改變小麥胚芽鞘細(xì)胞壁對擴展蛋白的敏感性，但顯著提高了小麥胚芽鞘中擴展蛋白活性，而且抗旱型小麥HF9703 胚芽鞘中擴展蛋白活性明顯大于干旱敏感型小麥921842。說明擴展蛋白參與干旱脅迫下小麥胚芽鞘細(xì)胞伸長生長的調(diào)節(jié)，可能在小麥細(xì)胞伸長

6、生長對干旱脅迫的響應(yīng)過程中起作用。
　　 （2）干旱脅迫通過上調(diào)擴展蛋白表達(dá)提高了擴展蛋白活性Western-Blot 檢測分析結(jié)果證明，干旱脅迫誘導(dǎo)擴展蛋白表達(dá)增加，抗旱型小麥HF9703 胚芽鞘中擴展蛋白的積累量明顯高于干旱敏感型小麥921842。該結(jié)果與擴展蛋白活性對干旱脅迫的響應(yīng)相一致。水分脅迫后的復(fù)水實驗證明，干旱脅迫誘導(dǎo)的擴展蛋白積累有利于復(fù)水后小麥胚芽鞘生長的加速。這些結(jié)果表明，擴展蛋白在干旱脅迫下積累，提高了擴展

7、蛋白活性，這對于維持干旱脅迫條件下小麥胚芽鞘的生長，提高小麥抗旱性有著重要作用。
　　 （3）干旱脅迫導(dǎo)致細(xì)胞壁堿化降低擴展蛋白活性不利于細(xì)胞伸長生長擴展蛋白活性依賴于細(xì)胞壁的酸性。對小麥胚芽鞘細(xì)胞壁酸堿度及質(zhì)膜H+-ATPase的活性檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫降低細(xì)胞壁酸度，導(dǎo)致細(xì)胞壁堿化，這與質(zhì)膜H+-ATPase的活性降低密切相關(guān)。抗旱性強的小麥品系HF9703的H+-ATPase活性高于抗旱性弱的921842。擴展蛋白活性是

8、酸依賴性的，因而細(xì)胞壁的堿化會導(dǎo)致擴展蛋白活性降低，對細(xì)胞的伸長生長不利。干旱脅迫下提高外界環(huán)境的酸性促進了小麥胚芽鞘的生長，間接說明干旱脅迫下胚芽鞘的生長抑制與細(xì)胞壁堿化有關(guān)。
　　 雖然干旱脅迫誘導(dǎo)了擴展蛋白活性增加，提高了細(xì)胞壁的可塑性，減小了細(xì)胞的生長阻力，但是干旱脅迫依然抑制了胚芽鞘的生長。這種生長抑制可能是生長動力（膨壓）降低的結(jié)果。擴展蛋白活性的提高可以在一定程度上減輕干旱脅迫對細(xì)胞伸長生長的抑制作用。
　　

9、 2.干旱脅迫下ABA 通過上調(diào)擴展蛋白表達(dá)提高擴展蛋白活性，從而提高小麥抗旱性（1）外源ABA 處理抑制了小麥胚芽鞘細(xì)胞的伸長生長。干旱脅迫條件下，小麥胚芽鞘中ABA 含量增加，而且抗旱性強的HF9703小麥胚芽鞘中ABA 含量高于干旱敏感型的921842。ABA 合成抑制劑FLU 緩解了干旱脅迫對胚芽鞘細(xì)胞生長的抑制作用。說明ABA 參與調(diào)節(jié)干旱脅迫對小麥胚芽鞘伸長生長的抑制。
　　 （2）外源ABA的應(yīng)用抑制小麥胚芽鞘的

10、伸長生長，在這一過程中，擴展蛋白活性增加，這與擴展蛋白對干旱脅迫的響應(yīng)相一致。而FLU 則抑制了干旱脅迫對擴展蛋白活性的促進作用。免疫印跡分析證明，ABA上調(diào)擴展蛋白表達(dá)，促進擴展蛋白積累，這可能是ABA 提高擴展蛋白活性的主要原因。
　　 （3）ABA 處理引起質(zhì)膜H+-ATPase活性下降，導(dǎo)致小麥胚芽鞘細(xì)胞壁堿化，這不利于擴展蛋白活性。干旱脅迫下抗旱性強的HF9703小麥胚芽鞘中質(zhì)膜H+-ATP酶活性高于干旱敏感型的921

11、842，細(xì)胞壁堿化程度弱于921842。細(xì)胞壁堿化導(dǎo)致的擴展蛋白活性降低會加大細(xì)胞壁擴張阻力，這不利于細(xì)胞的伸長生長。
　　 3.外源IAA 調(diào)節(jié)的細(xì)胞壁酸化有利于擴展蛋白活性提高和細(xì)胞的伸長生長（1）離體處理條件下，外源IAA 處理促進小麥胚芽鞘的生長，同時提高小麥胚芽鞘中擴展蛋白活性。檢測細(xì)胞壁酸堿度和質(zhì)膜H+-ATP酶活性發(fā)現(xiàn)，IAA 處理導(dǎo)致小麥胚芽鞘質(zhì)膜H+-ATP酶活性提高，同時促使細(xì)胞壁酸化程度增加。但是IAA 處

12、理對小麥胚芽鞘中擴展蛋白含量的影響不明顯。說明IAA 通過調(diào)節(jié)小麥細(xì)胞壁酸化，提高了擴展蛋白活性，進而促進了小麥細(xì)胞的伸長生長。
　　 （2）然而，根施IAA 對小麥胚芽鞘的伸長生長幾乎沒有影響；擴展蛋白活性和表達(dá)在根施IAA 處理后都沒有明顯的變化，這可能與小麥根系對外源IAA 吸收或者IAA的運輸不暢有關(guān)。根施IAA后小麥胚芽鞘中內(nèi)源IAA 含量變化分析結(jié)果也證明了這一推測。
　　 (3）干旱脅迫下，小麥胚芽鞘中IA

13、A 含量幾乎沒有變化；根施IAA 也幾乎沒有影響干旱脅迫對小麥胚芽鞘伸長生長的抑制作用。因而，IAA 在小麥抗旱性適應(yīng)過程中的作用還不清楚。
　　 4.不同家族擴展蛋白基因表達(dá)對干旱脅迫以及植物激素IAA和ABA的響應(yīng)擴展蛋白由一個大的基因家族編碼。本文選擇了小麥中6個不同家族的擴展蛋白基因，包括3個β-擴展蛋白家族基因TaEXPB23，TaEXPB1和TaEXPB2,3個α-擴展蛋白家族基因TaEXPA1，TaEXPA2和Ta

14、EXPA3，半定量RT-PCR 檢測基因表達(dá)對干旱脅迫及植物激素的響應(yīng)。結(jié)果表明，無論正常供水還是干旱脅迫下，TaEXPA1和TaEXPA2基因在小麥胚芽鞘中均沒有表達(dá)，ABA以及IAA 處理也均未檢測到他們的表達(dá)，說明擴展蛋白表達(dá)具有位置效應(yīng)。其它4個擴展蛋白基因的表達(dá)對干旱和ABA及IAA的響應(yīng)不同。TaEXPB23、TaEXPB1、TaEXPB2和TaEXPA3的表達(dá)均被干旱脅迫誘導(dǎo)上調(diào)；IAA 對其表達(dá)有輕微的上調(diào)，但不明顯；A