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《福建农林大学》 2008年
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水分胁迫下茶树的生理响应及其分子基础

郭春芳  
【摘要】: 干旱是影响作物生长、限制作物产量的重要环境因素,严重时可以引起植株不可逆的伤害甚至死亡。本研究以我国重要的经济作物茶树作为试验材料,对茶树种质资源进行光合生理特性的数值分类分析,在此基础上,选择两个有代表性的抗旱性差异明显的茶树品种在水分胁迫下,研究其光合生理、渗透调节及活性氧清除系统等方面的响应和差异,并利用双向电泳技术分析茶树幼苗在水分胁迫下的蛋白表达差异。研究结果如下: 通过对52个茶树品种在自然条件下叶片光合生理参数的数值分类分析,结果表明,52个茶树品种在叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO_2浓度(Ci)以及水分利用率(WUE)方面,差异达极显著水平(P<0.01);根据方差分析和主成分分析的结果,选择Pn、Tr、Gs和WUE等4个光合生理参数对其进行聚类分析,可将52个茶树品种分为5类,其中Ⅰ类的15个品种为高光合速率、中等蒸腾速率、低气孔阻力、高水分利用效率类型,可用于茶树的品种改良;在聚类分析基础上用判别分析选出对茶树光合生理性状数值分类有显著影响的4个光合参数,建立5个判别能力较高的判别模型。在此基础上,采用盆栽试验方法,研究不同土壤水分胁迫对铁观音和福鼎大白茶2年生茶树幼苗的光合生理特性、光合作用-光响应特性和叶绿素荧光特性的影响。结果显示:不同土壤水分处理对茶树净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、水分利用效率等生理指标及其日变化均产生明显影响;干旱胁迫下茶树的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及水分利用效率下降,水分利用效率日平均值的下降幅度比净光合速率日平均值的下降幅度小;土壤干旱胁迫使铁观音、福鼎大白茶最大光合速率(Pn_(max))、表观量子效率(AQY)、光饱和点(LSP)显著降低,而光补偿点(LCP)及暗呼吸速率(Rd)提高;在干旱胁迫下,茶树叶片的基础荧光(Fo)显著升高,最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)、PSⅡ的潜在活性(Fv/Fo)显著下降,表明干旱胁迫使茶树叶片PSⅡ反应中心受到伤害;干旱胁迫还降低了茶树的光化学反应速率(P_(rate)),缩短了荧光上升时间(T_(1/2)),抑制了PSⅡ反应中心电子的传递(ETR降低),导致天线色素热耗散速率(D_(rate))、非光化学猝灭(qN)和光合功能相对限制值L_((PFD))升高,光化学猝灭(qP)和PSⅡ实际光化学效率(Yield)都显著下降。无论在正常供水还是在干旱胁迫条件下,铁观音均表现出更高的光合活性,其Pn、Pn_(max)、LSP及AQY值均比福鼎大白茶高,而Rd、LCP值比福鼎大白茶低。说明生长在同一生境中的铁观音对光照、土壤水分的生态适应能力高于福鼎大白茶。比较在干旱胁迫下铁观音和福鼎大白茶叶片的叶绿素荧光变化,发现铁观音PSⅡ反应中心的胁迫耐性较强,叶片的光化学效率较高。 同时研究还表明,干旱胁迫下茶树幼苗叶片相对含水量(RWC)随胁迫程度的加大而降低,可溶性蛋白质的含量随胁迫程度的加大而增多,但在重度胁迫下,福鼎大白茶的可溶性蛋白质含量下降;可溶性糖含量也随干旱胁迫程度的加大而显著增加,与叶片的含水量之间呈显著负相关;脯氨酸含量随胁迫程度的加大而显著增多,但在重度胁迫下,福鼎大白茶的脯氨酸含量下降。正常供水条件下,铁观音叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量都比福鼎大白茶的高,脯氨酸含量低于福鼎大白茶;但在干旱胁迫下,可溶性蛋白、可溶性糖含量和脯氨酸含量的增幅都比福鼎大白茶大。而活性氧代谢分析结果显示,在干旱胁迫下,茶树叶片活性氧的积累增多,细胞膜透性加大,MDA含量增加;SOD、POD、CAT、APX和GR活性以及AsA和GSH含量在轻度、中度干旱胁迫下上升,在重度干旱胁迫下下降;而福鼎大白茶在轻度干旱胁迫下上升,在中度、重度干旱胁迫下下降。应用荧光定量PCR的方法对活性氧代谢相关的3个主要保护酶基因在PEG胁迫下的表达情况进行分析,结果显示,与对照相比,PEG胁迫下Cu/Zn SOD基因表达量随着胁迫时间延长呈现出“升高—降低—升高”的变化特点,相对表达量变化范围为0.49-3.06;CAT基因则在PEG胁迫的初期(3、6h)表达量明显上调,之后下降,相对表达量变化范围为0.15-3.45;APX基因在胁迫的24h内基本都表现为上调表达,但12h内上调幅度不大,胁迫24h表达量最大,之后表现为下调,相对表达量变化范围为0.86-1.98。在PEG胁迫下表达特性的不同,说明本研究中与活性氧代谢相关的3个主要保护酶基因对干旱环境的响应行为存在明显差异。 本研究还应用差异蛋白质组学方法分析了铁观音茶树幼苗在PEG胁迫下叶片蛋白质组的变化。对18个蛋白质点在PEG胁迫下的变化特点进行了分析,并对有差异表达的16个蛋白质点进行了质谱分析,共鉴定出14个蛋白质点,代表了10种不同的蛋白,其中5个点是同一个蛋白(1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基,RubisoLSU),另9个蛋白是PEG胁迫响应蛋白,包括光合系统Ⅱ23kDa多肽、叶绿体伴侣蛋白21(ch-Cpn21)、磷酸丙糖异构酶(TPI)、三磷酸腺苷合酶β亚基、S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS1)、磷脂酰乙醇胺结合蛋白(CEN)、新生多肽相关复合物α亚基(α-NAC)、20S蛋白酶体α亚基(PAE2)、翻译起始因子5A(eIF5A)等,这些蛋白质分别参与了叶绿体组成、糖代谢、能量代谢、硫代谢、蛋白质代谢、信号转导、基因表达调节和细胞程序性死亡等生命活动过程。
【学位授予单位】:福建农林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:S571.1

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