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淹水胁迫下活性氧及抗氧化酶活性变化对小麦胚乳细胞编程性死亡进程的影响

成祥旭  
【摘要】:前期研究表明淹水胁迫会导致小麦胚乳细胞编程性死亡(programmed cell death, PCD)进程提前。为探寻其发生的细胞生物学机制,本研究以耐湿品种华麦8号(Hua 8)和不耐湿品种华麦9号(Hua 9)为材料,在小麦开花期进行淹水处理,从显微和超微结构水平研究了胚乳发育过程中活性氧(reactive oxygen species, ROS)的动态变化;利用实时定量PCR研究了胚乳细胞中抗氧化关键酶:NADPH硫氧还蛋白还原酶(NADPH thioredoxin reductase, NTR)、Mn超氧化物歧化酶(Mn superoxide dismutase, MnSOD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)的基因表达情况,同时研究了SOD、CAT的活性变化。另外,研究了利用抗坏血酸、甘露醇2种活性氧清除剂处理淹水植株和利用外源过氧化氢(H2O2)处理未淹水植株对小麦胚乳细胞PCD进程的影响。研究结果表明: 1.未淹水处理下,荧光探针检测到耐湿品种Hua 8和不耐湿品种Hua 9胚乳细胞中ROS含量均在12 DAF(开花后天数)、15 DAF升高,此后减少;并且超微细胞化学定位发现,在12 DAF和15 DAF,H2O2和O2-主要在细胞壁、细胞膜、线粒体中积累。淹水7d处理下,与未淹水处理相比,Hua 8和Hua 9胚乳细胞中ROS含量均大量增加,并在12 DAF达到最大,此后逐渐减少。高强度淹水胁迫下(淹水12 d),Hua 8和Hua 9胚乳细胞中ROS含量依然在12 DAF达到最高水平;此后,Hua 8逐渐减少,而Hua 9依然非常高,直到18 DAF时才开始减少。超微细胞化学定位发现,在12 DAF和15 DAF,Hua 8和Hua 9胚乳细胞中H2O2、O2-在细胞壁、细胞膜、线粒体处大量积累,而且细胞膜变形破裂,线粒体膨胀破裂。 2.未淹水处理下,在12 DAF至18 DAF之间,耐湿品种Hua 8和不耐湿品种Hua 9胚乳细胞中抗氧化酶NTR、MnSOD、CAT基因表达量逐渐降低,SOD和CAT活性不断下降。淹水7d处理下,与未淹水处理相比,Hua 8同期胚乳细胞中CAT基因表达量升高,但活性下降,说明CAT可能在转录后和翻译后受到了抑制;MnSOD表达量升高,SOD活性升高,并且NTR表达量较大幅度的升高。而Hua 9同期胚乳细胞中CAT基因表达量和活性均较大幅度的下降,而且MnSOD表达量和SOD活性下降,并且NTR表达量较小幅度的升高。高强度淹水胁迫下(淹水12 d),Hua 9胚乳细胞中CAT和SOD活性下降的幅度加大,并且NTR基因表达量在15 DAF开始下降;而Hua 8胚乳细胞中SOD活性依然增加,且NTR基因表达量增加的幅度加大。 3.用10、100、200 mmol/L外源H202处理均能导致胚乳细胞Evans Blue着色变深,发生PCD的细胞增多。DNA laddering检测发现100、200 mmol/L H2O2处理均能导致胚乳细胞DNA片段化加剧,且200 mmol/L H2O2处理的胚乳细胞DNA片段化更为严重。说明,外源H202能够导致胚乳细胞PCD加剧。 4.活性氧清除剂显著抑制了淹水胁迫对胚乳细胞PCD进程的推动作用。利用抗坏血酸、甘露醇2种活性氧清除剂处理淹水植株,与未处理的淹水植株相比,Evans Blue着色变浅,胚乳细胞DNA片段化减轻。 上述结果表明,ROS介导了正常生长胚乳细胞的PCD过程。淹水胁迫下,抗氧化酶活性下降和ROS积累可能是胚乳细胞PCD加剧和进程提前的主要原因。ROS可能作为信号分子调控胚乳细胞中与代谢相关基因的表达水平,或者直接对细胞内结构和抗氧化关键酶造成氧化损伤,诱导了胚乳细胞PCD进程提前。


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