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油菜素内酯调控番茄农药降解的生理与分子机制

汪季涛  
【摘要】: 农药的使用已成为防治植物病虫害、去除杂草、调节农作物生长、实现农业机械化及提高农产品产量和质量的重要措施。然而,在集约化的设施生产条件下,病虫害高发频发,导致化学农药的大量使用,常常引起蔬菜等农作物产生药害以及高超标的农药残留。这不仅直接危害人类健康和生存环境,而且国际贸易中也不断发生因农药问题引起的贸易摩擦。因此,研究农药对蔬菜作物生长的影响以及如何降低蔬菜中的农药残留,对实现蔬菜高效、安全生产和发展可持续农业具有重要意义。本文以番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)为材料,以生产中普遍使用的百菌清、多菌灵、毒死蜱和联苯菊酯为目标化合物,研究了番茄对不同化学性质农药的响应机理。并结合番茄BRs野生型和合成缺失突变体材料,研究了BRs对农药药害的缓解以及促进农药降解的作用机理,同时探讨了H202在BRs促进农药降解中的信号作用。此外,我们利用基因芯片技术构建了植物对农药和BRs响应的表达谱,进一步阐明了BRs促进植物体内源农药降解代谢的分子机制。主要结果如下: 1.研究了百菌清(CHT)、多菌灵(CAR)、毒死蜱(CPF)、联苯菊酯(BIF)4种农药对番茄生长,生理状态和解毒相关参数的影响。结果表明,2倍推荐剂量的4种农药对番茄的净光合速率(Pn)和叶绿素荧光参数均产生了不同程度的抑制作用。在处理杀菌剂CHT和杀虫剂CPF 24 h后显著地诱导了番茄中GSH合成,GST、GR、POD酶活力和解毒相关基因(GSH、GST1、GST2、GST3、GR和GPX)的上调。然而,杀菌剂CAR和杀虫剂BIF处理后却没有改变GSH含量、解毒酶活力和基因的表达水平。此外,CHT和CPF对GSH合成,解毒酶活力和解毒相关基因的诱导具有浓度和时间效应。 2.研究了BRs缓解农药药害作用及对解毒酶和基因表达的影响。结果表明,野生型或突变体番茄预处理EBR后,能够明显的缓解CHT和CPF对Pn、ΦPSII,qP和Fv'/Fm'的抑制,并恢复到接近对照水平,并且野生型对CHT和CPF的抗性明显高于突变体。EBR显著促进了GSH的合成,并显著提高了还原型GSH的含量。同时,EBR诱导了GST和GR的活力上升,增强了解毒相关基因(CYP724B2, GSH1, GSH2, GST1, GST2, GST3, GR和ABC)的表达。 3.BRs能够提高植物体内解毒酶活力、解毒基因表达和GSH含量,避免药害产生,然而这种机制也与BRs加速了植物体内农药降解代谢有关。不同浓度的外源EBR预处理显著的提高了CHT残留的降解速率,而且较低浓度的EBR预处理效果更显著。同时,野生型番茄上的CHT残留量显著的低于BRs合成缺失突变体,预处理EBR均能加速野生型和突变体CHT残留的降解,缩短农药残留在植物体内降解的半衰期。此外,研究还发现,抑制了GSH的合成,CHT的降解速率也显著减缓。表明BRs可能通过促进GSH的合成、解毒酶活力和解毒基因的表达而加速农药的降解。 4.研究了H2O2在BRs促进农药降解代谢中的信号作用。外源处理不同浓度的EBR能够显著诱导内源H2O2的产生,并具有明显的浓度效应。野生型中H202含量高于突变体。预处理EBR能够同时诱导野生型和突变体H202含量的增加;而且H2O2的含量与RBOH表达密切相关。同时,我们利用NADPH氧化酶抑制剂(DPI),H2O2清除剂(DMTU)和NADPH合成抑制剂(6-AN)抑制内源H2O2爆发,发现抑制H2O2产生后,导致了GSH含量和解毒酶活力的降低,并显著抑制了解毒基因表达,同时也减缓了CHT在番茄体内的降解。然而外源预处理EBR或H2O2后,显著的提高了内源H2O2的含量,并诱导了GSH的合成,解毒酶活力的提高和解毒基因的表达,促进了CHT在番茄体内的降解。 5.为了进一步明确农药药害产生和BRs促进农药降解的分子机理,我们利用Affymetrix GeneChip(?) Tomato Genome Array技术,分析了农药CHT,EBR和预处理EBR后再处理CHT对番茄转录组的影响。农药处理后共得到1545个有效的差异基因,其中上调670个,下调875个;单独EBR处理获得1584个有效差异基因,其中上调544个,下调1040个;预处理EBR后再处理CHT,得到1725个有效差异基因,其中上调700个,下调1025个。大量的基因受BRs和农药共同调控。经分子注释系统(Molecule Annotation System)分析发现,这些基因中大部分涉及了催化活性功能。EBR预处理诱导了共表达基因中许多涉及解毒功能的基因的高表达。同时发现,共调控基因中还涉及许多乙烯受体和乙烯响应的基因,说明BRs促进农药代谢过程可能与乙烯存在着互作。


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