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碳水化合物及脱水素基因在梨休眠过程中的作用

SAYED HUSSAIN  
【摘要】:包括梨在内的多年生温带植物能够适应从酷夏到严冬的极端温度变化。这些多年生植物的一个重要特征就是在冬季严寒到来之前为了安全度过不良的生长环境分生组织的生命活动近乎停止并建立一种休眠状态。一般来说,休眠的诱导是由光周期和温度变化引起的,然后通过一定时长的低温或外用化学药剂来解除植物休眠。活跃的生长到休眠的转换涉及不同的形态、生理、生化、分子和发育过程,如芽分化,脱水,复水,抗寒锻炼,碳水化合物的变化,酶活和分子水平的变化。相对于这一性状的重要性而言,生长和休眠转变过程的研究还是很少。本论文在梨的两个栽培品种上利用冷激处理和休眠破除剂处理来研究休眠的生理、生化和分子调控机理。主要结果总结如下 1、梨芽和树皮组织在低温响应下的生化变化:低温在花芽和叶芽休眠解除中的可能作用。 利用落叶后‘翠冠’离体枝条研究了冷处理对芽休眠的解除和生化物质变化影响。离体枝条在5。C条件下处理0、100、200、300、400、500、600和700小时(正需冷单元PCU)。梨花芽和叶芽分别在300PCU和600PCU达到50%的萌芽率。平均萌芽时间与冷处理的时间成反比。低温处理刺激了所有的器官淀粉的水解,同时蔗糖开始积累。蔗糖和山梨糖醇在洽处理过程中迅速积累并且分别在100PCU、400PCU和100PCU在花芽、叶芽和树皮中达到峰值,之后含量开始下降直到达到打破休眠所需需洽量(花芽的需冷量为300PCU,叶芽的需冷量为600PCU),之后含量开始增加一直到700PCU。芽中己糖(葡萄糖和果糖)一直不断积累直到700PCU。在树皮中,果糖和葡萄糖含量增加直到400PCU,然后随着PCU的增加而逐渐下降。在所有器官,特别是花芽和叶芽中,总的淀粉分解酶活性和a淀粉酶活性在达到100PCU前都有增加,然后在叶芽和花芽中有所下降,在内休眠解除后再次上升。然而,在低温处理条件下,芽中蔗糖含量和蔗糖酶的活性依然保持较高水平,可能是因为蔗糖转运到芽当中,增大了芽的库强。结果表明需冷量不足条件下导致己糖积累不足可能会造成萌芽率较低。足够的低温可能通过增加可溶性糖的含量,增强酸性转化酶的活性和降低低淀粉的含量来解除芽休眠并且提高其萌芽率。 2、氰胺和硫脲对‘圆黄’梨休眠解除过程中芽和树皮中碳水化合物代谢和脯氨酸含量的影响。 本文研究了氰胺和硫脲在加速休眠解除过程中的作用及其对‘圆黄’芽和树皮中碳水化合物含量、酶活和脯氨酸含量的变化影响。利用氰胺水溶液、硫脲水溶液处理离体枝条并以清水培养作为对照来研究氰胺和硫脲对萌芽率的影响。芽休眠的解除依靠萌芽率这一指标来反应。平均萌芽时间(MTB)较短的梨芽含有较低的淀粉含量,较高的蔗糖含量酶活和脯氨酸含量。氰胺水溶液、硫脲水溶液处理和清水处理离体枝条的花芽萌芽率达到50%的天数分别为18天、22天和30天,而叶芽的萌芽率达到50%的天数分别为22天、26天。氰胺和硫脲处理枝条之后分别在5或10天后所有器官中淀粉水解加速并且伴有糖类的积累。这些在处理之后很短时间内的变化可能跟休眠的解除有关。事实上,伴随着休眠的解除,我们发现可溶性糖含量、α淀粉酶活性、淀粉水解活性和碱性蔗糖酶的活性在芽中急剧降低,但是酸性蔗糖酶活性依然较高。这一结果与树皮中不同。所有的组织脯氨酸浓度在离体枝条处理之后都先增加后下降,但是氰胺处理的效果比硫脲处理明显。这些结果说明氰胺和硫脲通过激发了生化活动引起了休眠的解除。我们的观察结果显示氰胺、硫脲处理对糖积累或分解、酶活的变化的时间可能影响了休眠解除的时间和恹复生长的时间。 3、梨脱水素家族基因的全基因组鉴定、特征及表达分析。 脱水素是一类复杂的植物蛋白家族,在干旱、高盐以及低温等环境胁迫下保护高等植物细胞免受脱水和干旱伤害中起重要的作用。梨是重要的经济果树广泛分布于全球温带地区,有关梨的DHN基因的研究非常有限。为了获得了解梨的DHN基因家族,阐明其在低温条件下在梨花芽中的作用,我们从梨全基因组数据中鉴定出7条PpDHN家族基因。对根据这些基因推定的蛋白序列的比对分析结果表明这些蛋白包含典型的K结构域。基于基因特征和聚类结果可将这些基因分为SKn、YnSKn、YKn和Kn组。层序聚类分析表明在非胁迫的梨树中,PpDHN基因可在所有营养器官/组织中表达,除了PpDHN1, PpDHN3以及PpDHN4在成熟叶片以及顶芽中不表达。在低温处理的花芽中4个PpDHN基因的转录水平显著增加,表明其在逆境胁迫调节中起重要的作用。本研究表明,梨DHN基因家族可能在组织发育和胁迫响应中具有功能。本研究得到的信息将有助于进一步研究在不同胁迫条件下DHN基因的功能。 4、两个不同需冷量砂梨品种花芽脱水素基因的表达及抗氧化酶活性研究。 以翠冠和圆黄两个砂梨品种花芽为研究材料,主要研究了脱水素基因的季节表达模式,抗氧化酶活性,H2O2含量及它们与花芽休眠阶段的关系。研究结果表明PpDHN1, PpDHN2和PpDHN3的表达模式相同,但表达量及达到顶峰的时间不同。在翠冠花芽自然休眠过程中均能检测到PpDHN1, PpDHN2和PpDHN3的表达,生态休眠阶段达到最高水平,萌芽阶段下降。圆黄花芽中脱水素基因(PpDHN1, PpDHN2和PpDHN3)在自然休眠阶段达到最高,生态休眠阶段即下降。自然休眠过程中超氧化物歧化酶(SOD)具有较高的活性,生态休眠阶段下降,然后在萌芽阶段升高。过氧化物酶(POD)在两个品种中的含量不同,但是具有相同的变化趋势:内休眠过程含量较低,生态休眠时达到最低点,萌芽时增加。过氧化氢酶(CAT)活性在内休眠过程中不断增加,生态休眠过程达到顶峰,萌芽阶段降低(两个品种的萌芽时间不同)。抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性在自然休眠阶段下降,生态休眠阶段上升,萌芽阶段达到顶峰。翠冠花芽自然休眠阶段H2O2含量最高,而圆黄在自然休眠过程中H2O2含量不断下降,两者含量均在萌芽阶段下降。休眠过程中脱水素基因的表达和H2O2含量变化过程中伴随着SOD, POD和APX活性下降及CAT活性增加。因此,基因表达水平、酶活性、H2O2含量变化可能涉及到梨花芽休眠过程中抗氧化防御机制。


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