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ATPase与杨树耐盐性形成机制研究

马秀英  
【摘要】: 胡杨(Populus euphratica Oliv.)是我国西北干旱荒漠盐碱地和戈壁地带能形成森林的唯一高大乔木树种,其适应性极强,耐盐碱且抗干旱风沙。胡杨林对于维持荒漠地区的生态平衡,保护当地的农牧业生产,具有不可替代的重要作用。揭示胡杨的抗盐机理,对于深入挖掘该树种潜在的应用价值具有重要意义。近年来对胡杨耐盐机理的研究多集中于其拒盐性和离子隔室化方面,并发现胡杨维持胞内离子平衡的能力在很大程度上依赖于ATPase活性。而关于胡杨如何在盐胁迫条件下保持质子泵活性,目前缺少有报道。本文就是从能量代谢的角度,研究呼吸作用对ATPase活性的调控及与胡杨抗盐性的关系。论文以耐盐性较强的胡杨和耐盐性较弱的群众杨(P.popularis)为实验材料,测定了NaCl胁迫下两种杨树根系与叶片的呼吸速率、ATP含量的变化;采用细胞化学方法研究了细胞膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase的活性;应用免疫印迹法(Western blotting)研究了这两种杨树质膜H+-ATPase蛋白的表达情况;利用扫描极谱电极技术(Scanning Polarographic Electrode Technique, SPET)测定了盐胁迫下根系氧的内流速率;利用微阵列分析技术研究了胡杨根系呼吸作用相关基因的转录水平,主要研究结果如下: 1.长期盐胁迫下胡杨和群众杨叶片呼吸强度的变化差异明显。随着盐胁迫时间延长,群众杨叶片呼吸速率呈下降趋势,在盐胁迫29天(200 mM NaCl)时降至最低,下降幅度达70%。而胡杨则明显不同:盐胁迫7天(50 mM NaCl),其叶片呼吸速率明显增加,其后保持在高于对照25-35%的水平。两种杨树盐胁迫下根系呼吸强度的变化趋势与叶片类似:长期盐胁迫使胡杨根系呼吸速率提73-75%,却使其群众杨根系的呼吸强度下降36%。 2.扫描极谱电极技术测定的研究结果显示,不管是短期盐处理还是长期盐胁迫,都会提高胡杨根系氧的内流速度,且以一周盐胁迫处理的根系最为明显。呼吸抑制剂(NaN3)显著降低了胡杨对照苗木和盐处理苗木根系的氧内流,表明盐处理所诱导的氧内流是胡杨根系呼吸作用增强的反映。与胡杨相反,盐处理一周后,群众杨根系氧内流的速度明显下降,显示其根细胞呼吸作用减弱。 3. ATPase细胞化学分析结果表明,长期盐胁迫下胡杨根和叶片PM H+-ATPase活性显著上升;质膜、液泡膜、核膜以及胞外Ca2+-ATPase活性明显增强;而盐胁迫下,群众杨细胞膜上这两种酶的活性有所下降。 4.我们利用抗拟南芥PMH+-ATPase单克隆抗体AHA3来检验盐胁迫过程中质子泵蛋白的表达,发现群众杨在盐胁迫第1周PMH+-ATPase蛋白含量明显增加,而在此后的3周内蛋白含量呈下降趋势;胡杨却明显不同:盐胁迫后PMH+-ATPase含量显著提高,并在整个盐处理过程中保持稳定。 5.ATP含量测定的结果表明,胡杨叶片ATP含量在盐处理4周后,仍与对照水平接近(为对照的86%),而群众杨叶片ATP含量明显下降,仅为对照苗木的34%。 6.利用Affymetrix杨树基因组芯片对胡杨根系进行微阵列分析,发现盐胁迫下胡杨糖酵解过程中的多个关键酶基因的表达明显上调:包括葡萄糖-6-磷酸异构酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱羧酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶等。这表明盐处理提高了胡杨的糖酵解作用,加速了淀粉和糖类物质的降解,因而用于有氧呼吸的碳流有所增强,这有利于胡杨根系保持较高的呼吸作用。总之,胡杨在长期胁迫下提高了ATPase活性,这对于维持跨膜质子梯度以及控制胞内离子平衡至关重要。ATPase活性的上调要求有底物ATP的充足供应。胡杨在长期胁迫中能维持较高的呼吸速率,这有利于细胞进行有氧呼吸和氧化磷酸化,从而为H+-ATPase提供底物,也有利于维持质子泵活性。与胡杨相比较,群众杨在长期胁迫下ATPase活性下降,这与其不能维持细胞的呼吸作用有关。


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