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镧对UV-B辐射胁迫下大豆幼苗内源激素与类黄酮代谢影响

彭祺  
【摘要】: 臭氧层衰减诱发UV-B辐射抵达地球表面增加,对陆生植物的影响引起世人广泛关注。探讨稀土对UV-B辐射胁迫伤害植物的影响与机理,是稀土环境植物学研究的拓展和延伸,其结果可为减轻UV-B辐射伤害植物的防护对策提供参考。本文采用水培方法,以油料作物大豆(Glycine max)为实验材料,以生理学、生物化学及物理化学方法为研究手段;以La(III)对UV-B辐射胁迫下大豆幼苗生长、内源激素与芳香族氨基酸含量、类黄酮代谢关键酶的影响与机理为内容;从环境生态角度,生理生化及酶分子水平,揭示La(III)对UV-B辐射胁迫下植物内源激素和类黄酮代谢的影响与机理;为科学评价稀土对UV-B辐射胁迫伤害植物的影响;丰富UV-B辐射生态学理论,提供参考,主要研究 结果如下: (1) UV-B辐射胁迫下,大豆幼苗根系活力下降,抑制了营养元素吸收,破坏叶片形态,降低叶片光合作用,最终导致整个植物干物质累积量降低,此效应随UV-B辐射胁迫剂量增加而加剧。La(III)(20 mg/L)能提高大豆根系活力、叶绿素含量、矿质元素含量,进而促进光合作用,提高叶片叶面积及大豆幼苗鲜(干)重,促进大豆幼苗的生长。La(III)(20 mg/L)的介入使逆境中的大豆幼苗也能尽量维持对光能的吸收和利用,从而满足植物自身恢复所需的能量和物质,缓解UV-B辐射对叶片损伤。高剂量La(III)(60 mg/L)降低大豆根系活力、叶绿素含量、矿质元素含量,进而抑制光合作用,降低叶片叶面积及大豆幼苗鲜(干)重,抑制大豆幼苗的生长。La(III)(60 mg/L)+UV-B辐射胁迫处理对大豆幼苗起到了协同抑制作用。La(III)(60 mg/L)的介入加剧了植物自身恢复所需能量和物质的减少,使逆境中的大豆幼苗表现出受到复合胁迫伤害的作用。适量La(III)可缓解UV-B辐射胁迫对大豆生长的抑制作用,而高剂量La(III)可加剧UV-B辐射胁迫对大豆生长的抑制作用。 (2) UV-B辐射胁迫下,大豆幼苗IAA、GA和CTK含量下降,ABA、ETH含量和IAAO活性增加,器官生长发育减缓、形态结构改变、生物量下降,此效应随UV-B辐射胁迫剂量增加而加剧。La(III)(20 mg/L)能提高UV-B辐射胁迫下大豆幼苗IAA、GA和CTK含量、降低ABA含量、IAAO活性和乙烯含量,减轻UV-B辐射胁迫对植物生长的抑制,缓解植株生长与类黄酮合成的矛盾,减缓UV-B辐射对植株伤害。La(III)(20 mg/L)对植物的影响,可能与La(III)(20 mg/L)增加类黄酮含量,减轻UV-B辐射胁迫伤害,稳定细胞膜结构,维持植物水势,降低植物对胁迫的应激反应强度有关。La(III)(60 mg/L)能降低UV-B辐射胁迫下大豆幼苗IAA、GA和CTK含量、促进ABA含量、IAAO活性升高,加剧UV-B辐射胁迫对植物生长的抑制,进而加剧UV-B辐射胁迫对植株伤害。复合胁迫使细胞增殖与生长、器官生长发育减缓、形态结构改变,生物量下降。大豆幼苗内源乙烯释放量在La(III)(20 mg/L)和UV-B辐射胁迫共同作用下降低,源于1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)含量和氨基环丙烷羧酸合酶活性的减少。La(III)(20 mg/L)通过加速大豆幼苗中自由基的清除,提高细胞膜保护系统活性和保持细胞膜透性来抑制乙烯的生成。La(III)(60 mg/L)表现出相反的结果。 (3) UV-B辐射胁迫下,大豆幼苗Trp含量下降,Phe、Tyr含量,DAHPS活性升高。其结果导致植物自身IAA含量下降,抑制植物生长。Phe、Tyr含量及DAHPS活性升高,使植物向着类黄酮代谢途径的方向生长,进而竞争性抑制了有机化合物向着植物生长的方向运行;与此同时,植物次生代谢作用被增强(类黄酮含量提高),植物把更多的资源分配于防御机制,从而导致生长减缓,生物量下降。La(III)(20 mg/L)通过提高Trp含量,有利于植物IAA含量的提高,同时通过提高大豆幼苗DAHPS活性及Phe、Tyr含量来促进类黄酮合成。类黄酮含量增加减少了进入植株体内的UV-B辐射净通量,减轻了UV-B辐射胁迫对大豆幼苗的伤害。La(III)(60 mg/L)通过抑制大豆幼苗Trp、Phe、Tyr含量及DAHPS活性进而抑制类黄酮合成。类黄酮含量减少从而加剧了进入植株体内的UV-B辐射净通量,增加了UV-B辐射胁迫对大豆幼苗的伤害。La(III)(60 mg/L)+UV-B辐射胁迫处理对大豆幼苗表现出复合胁迫伤害作用。 (4) UV-B辐射胁迫下,PAL活性、C4H活性、4CL活性、CHS活性及类黄酮含量升高,但在恢复期急剧下降。La(III)(20 mg/L)的介入有效提高PAL活性、C4H活性、4CL活性、CHS活性及类黄酮含量为植物抵御UV-B辐射胁迫提供屏障。La(III)(60 mg/L)的介入抑制了PAL活性、C4H活性、4CL活性、CHS活性及类黄酮含量,不利于类黄酮的合成,对植物抵御UV-B辐射胁迫起负作用。La(III)(20 mg/L)和UV-B辐射均能促进类黄酮代谢关键酶活性及类黄酮含量升高,但其机理不一致,前者是主动的促进,而后者是植物面对胁迫时的一种应激反应,是被动的提高。La(III)(20 mg/L)对类黄酮代谢关键酶活性及类黄酮含量调控效果与胁迫强度有关,即对低剂量UV-B辐射胁迫的缓解效果优于高剂量。 (5)通过分子动力学模拟计算,发现CHS蛋白表面存在大量负电荷集中区。根据化学原则,La(III)易与CHS蛋白相互作用,导致CHS蛋白结构发生改变。UV-B辐射导致Tyr和Trp残基的荧光同时被淬灭,CHS肽链上的酰氨基吸收峰及芳香氨基酸(Tyr和Trp)残基带的紫外吸收峰值下降,从而改变了分子的空间结构,降低CHS活性。低剂量La(III)与CHS肽链中的酰氨基团上的O或N原子及CHS肽链上的芳香氨基酸(Tyr和Trp)残基发生作用后,能导致CHS发生微结构的变化,稳定CHS酶结构,从而对活性中心产生微扰作用,进而影响CHS活性,促进类黄酮的合成,降低UV-B辐射诱导自由基的产生。高剂量La(III)直接伤害CHS酶结构,影响活性中心,导致CHS酶活性降低。


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