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生长调节剂和光对盐地碱蓬愈伤组织甜菜红素诱导机理的研究

赵术珍  
【摘要】: 盐地碱蓬是一种肉质化的真盐生植物,是盐土和盐渍化土壤的指示植物之一,既耐盐又耐涝,可以在黄河三角洲等潮间带重盐碱地正常生长发育完成生活史。有趣的是只有生长在盐湿低洼地的盐地碱蓬和萌发一周左右的幼苗植株为红色,其他自然生境下生长的盐地碱蓬均为绿色。我们对盐地碱蓬耐盐生理和分子机理已做了比较深入的研究,也已经证明红色盐地碱蓬中所含的红色素是甜菜红素而非花色素。 甜菜素包括甜菜红素和甜菜黄素,是一类含氮的水溶性化合物。在甜菜红素合成途径中有三个酶(酪氨酸酶,多巴双加氧酶和葡糖基转移酶)参与了甜菜红素的合成。但是,对于甜菜素合成途径和调控机制的研究远远落后于对类黄酮类色素的研究。许多研究发现,甜菜红素与植物抗逆性有关。遗憾的是,在实验室条件下,无法诱导出和自然界中一样的盐地碱蓬紫红色植株,这可能是由于自然生境中甜菜红素的积累是受环境因子综合作用的结果,有些条件人工很难模拟。这在一定程度上限制了我们对甜菜红素的研究。由于组织培养具有不受季节限制,无细菌污染,能更加有效控制各种因素的影响等优点,可以方便地对甜菜红素合成机理进行研究。 我们的初步结果表明,甜菜红素的含量受环境因子光,温度和盐度等的影响。由于光和植物生长调节剂是调控植物生长发育和代谢的重要环境因子,因此,本文选用盐地碱蓬愈伤组织为材料,研究光和植物生长调节剂对盐地碱蓬愈伤组织中甜菜红素积累的影响及可能的机理,从而为研究两种因子调控甜菜红素合成的详细分子机制提供证据,同时也为研究甜菜红素对盐生植物抵抗逆境的作用机理及开发利用甜菜红素奠定基础。 主要实验结果如下: 以在MS + 6-BA 0.5 mg L-1 +2,4-D 0.2 mg L-1(CIM)中暗培养28天的盐地碱蓬(Suaeda salsa L.)愈伤组织为材料,探讨了不同植物生长调剂在白光下对盐地碱蓬愈伤组织生长和甜菜红素含量的影响以及可能的机制。结果表明:培养基中添加生长调节剂明显影响愈伤组织的生长和甜菜红素的积累。当MS培养基中加入0.5 mg L-1 6-BA与0.2 mg L-1 2,4-D时,愈伤组织生长最好,相对生长速率为233.21 mg·g-1·d-1。在试验的生长素中,NAA和IAA对甜菜红素的积累没有明显影响,2,4-D强烈抑制甜菜红素的积累。细胞分裂素TDZ和6-BA显著促进甜菜红素的积累。相同浓度的TDZ比6-BA对甜菜红素的诱导效果更好。愈伤组织在MS + 0.5 mg L-1 TDZ + 1.0 mg L-1 NAA培养基中进行光下培养时细胞中甜菜红素的含量最高,达到28.77 nM g-1FW。白光条件下,植物生长调节剂对多巴双加氧酶基因的表达和酪氨酸羟化酶和多巴氧化酶活性的影响与对甜菜红素含量的影响一致,而植物生长调节剂处理下的酪氨酸酶蛋白表达稳定。这说明在盐地碱蓬愈伤组织中植物生长调节剂介导的甜菜红素的代谢可能是通过调控4,5-多巴双加氧酶基因的表达和酪氨酸酶活性实现的,与酪氨酸酶蛋白水平无关。 以在CIM培养基中培养28天的盐地碱蓬(S. salsa L.)愈伤组织为材料,探讨了光对盐地碱蓬愈伤组织甜菜红素合成的影响以及可能的机制。结果表明:光质和光强度显著影响盐地碱蓬愈伤组织的生长和甜菜红素的积累,而且,甜菜红素的积累与愈伤组织的生长相一致。白光对甜菜红素的诱导效果最好,红光和蓝光次之,黑暗最弱。随着光强度的升高,甜菜红素含量基本上呈现先上升后下降的趋势。白光,红光和蓝光光强度分别在60-100μmol m-2 s-1,40μmol m-2 s-1和2μmol m-2 s-1时甜菜红素含量达到最高值,且分别为28.77 nM g-1FW,15.70 nM g-1 FW和14.49 nM g-1 FW。不同光质对多巴双加氧酶基因的表达和酪氨酸羟化酶和多巴氧化酶活性的影响与对甜菜红素的含量影响结果一致。然而,酪氨酸酶蛋白水平不受光质影响。这说明光对愈伤组织中甜菜红素积累的影响可能是通过调控甜菜红素合成过程中的酶如4,5-多巴双加氧酶基因表达水平和酪氨酸酶活性实现的,与酪氨酸酶蛋白水平无关。 以在CIM中暗培养26天或28天的盐地碱蓬(S. salsa L.)愈伤组织为材料,探讨了不同植物生长调剂和白光在调控盐地碱蓬愈伤组织甜菜红素积累之间的关系。结果表明:黑暗条件下TDZ浓度梯度对甜菜红素积累无显著影响,而白光下TDZ浓度诱导的甜菜红素积累量有显著差异,光对生长调节剂诱导的甜菜红素积累有明显的促进效应。不管是在MS基本培养基,还是含有生长调节剂TDZ和NAA的培养基中,白光光强梯度诱导的甜菜红素积累量均有显著差异,并随光强的增大而提高。这些结果说明光在甜菜红素积累的调节过程中起类似于“开关”作用,生长调节剂的存在在一定程度上增强了光强诱导效应的表达。分析生长调节剂与白光的相互关系发现白光和TDZ既不是倍数关系,也不是叠加关系,而是相互作用。白光是合成甜菜红素必需的,TDZ可能参与了白光的信号转导途径。蓝光,红光和白光与黑暗处理相比,1 h和10 d的细胞分裂素含量均没有明显差异,因此我们推测光促进甜菜红素的积累不是由于光促进内源细胞分裂素的含量实现的。由以上结果我们推测,光和细胞分裂素可能首先通过两条独立的信号转导途径起作用,然后在细胞分裂素的下游某一位点两条途径聚集在一起共同调控甜菜红素的积累。这一机制可能与两种因子对花色素调控机理相似,其机制可能为:响应调节因子(RR4)既接受细胞分裂素受体组氨酸激酶(HKs)传来的细胞分裂素信号,又接受光信号受体传来的光信号,并将接收的信号通过多级信号转导中间体,以一种不确定的机制抑制转录因子HY5的降解,从而导致HY5调控的甜菜红素合成相关酶如酪氨酸酶(tyrosinase),4,5-多巴双加氧酶(DOPA-4,5-dioxygenase,DODA),和5-氧-葡糖基转移酶(5-O-glucosyltransferase,5-GT)基因的表达,启动甜菜红素的合成。但是对其作用机理的进一步明晰,有赖于应用分子生物学方法,来对光和植物生长调节剂对甜菜红素的调控机理进行深入研究。


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