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干旱胁迫和衰老过程中苹果抗坏血酸代谢的研究

马春花  
【摘要】: 抗坏血酸(Ascorbic acid,AsA)即维生素C,是植物体内高丰度小分子抗氧化物质,也是果品和其它许多食品中重要的功能成分,它在植物抵抗氧化胁迫中具有重要作用。植物体内AsA含量受合成和再生能力的调控。L-半乳糖酸-1,4-内酯脱氢酶(GalLDH)是公认的植物AsA合成的主要途径L-半乳糖途径中AsA合成的最后一个关键酶,其活性大小与体内AsA含量存在一定的关系。抗坏血酸-谷胱甘肽循环(AsA-GSH)是AsA再生的主要途径,在这个循环中,AsA作为抗坏血酸过氧化物酶(APX)的电子供体以清除H_2O_2,氧化生成的单脱氢抗坏血酸(MDHA)一方面可经单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)还原,另一方面可歧化生成AsA和脱氢抗坏血酸(DHA),脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)利用GSH作为电子供体可将DHA还原为AsA,产生的氧化型谷胱甘肽(GSSG)又可被谷胱甘肽还原酶(GR)再还原为GSH,从而完成清除H_2O_2等活性氧(ROS)并再生AsA的过程。本文以苹果砧木新疆野苹果(Malus sieversii (Ledeb) Roem.)和平邑甜茶(M. hupehensis pamp Reld.)叶片、主栽品种嘎拉(M. domestica Borkh. cv Gala)叶片和果实为试材,研究了干旱及衰老过程中AsA水平、氧化还原状态、代谢相关酶活性的变化及在胁迫过程中外源AsA对相关指标的影响,以探索AsA代谢对干旱和衰老的响应,为研究果树AsA代谢在抗氧化胁迫中的作用提供理论依据。 取得的主要研究结果如下: 1.在正常培养条件下,抗旱性较强的苹果砧木新疆野苹果和抗旱性较弱的平邑甜茶叶片AsA含量及代谢相关酶活性差异不大。干旱胁迫过程中,二者叶片AsA、GSH、总谷胱甘肽和总抗坏血酸含量变化趋势基本一致,但新疆野苹果叶片中的含量增加幅度大于平邑甜茶;与平邑甜茶相比,新疆野苹果叶片具有较高的GalLDH、DHAR和GR活性,且新疆野苹果叶片AsA/DHA和GSH/GSSG也明显高于平邑甜茶。表明干旱胁迫条件下新疆野苹果有较高的AsA合成和再生能力。 2.在土壤含水量为11.25%~12.50%干旱胁迫条件下,苹果品种嘎拉(Gala)盆栽苗叶片AsA-GSH循环各组分水平和GalLDH的活性在胁迫期间都有所上升。当胁迫延续到一定时间,AsA-GSH循环各组分水平和GalLDH的活性达到最大水平,而后开始明显下降。复水后各酶活性及AsA和GSH含量有所下降,但AsA/DHA、GSH/GSSG虽然还是低于对照,但呈现了缓慢上升的趋势。这说明苹果植株可通过调节AsA再生酶和合成酶的活性来调节AsA含量,从而增强抵御干旱胁迫的能力。在干旱胁迫过程中,5 mmol·L~(-1)外源AsA处理降低了苹果叶片相对膜透性、MDA和H_2O_2含量的上升幅度,说明外源AsA降低了干旱胁迫对苹果叶片的伤害。同时,5 mmol·L~(-1)外源AsA处理的苹果叶片在干旱胁迫过程中表现出了较高的总抗坏血酸和AsA含量、总谷胱甘肽和GSH含量,延缓MDHAR、DHAR和GR活性在干旱胁迫后期的降低,提高了复水能力。 3.嘎拉苹果叶片在幼叶、展开叶、成熟叶、衰老叶四个不同叶龄中总抗坏血酸和AsA含量的变化趋势一致,均在叶片成熟叶中最高,衰老叶中降低,AsA合成关键酶GalLDH活性变化趋势与AsA含量一致。同时,有助于AsA再生的DHAR、MDHAR、GR活性均在衰老叶中最低,并伴有APX活性的下降和H_2O_2的大量积累,使AsA氧化程度在衰老叶中也达到最大。本实验结果表明,在不同叶龄苹果叶片中,AsA含量主要取决于其合成能力。 4.苹果品种嘎拉秋梢成熟叶片离体衰老过程中,前期总抗坏血酸和总谷胱甘肽含量,APX、DHAR和GalLDH活性分别上升,表明苹果叶片可通过提高AsA再生及其合成来维持AsA含量,延缓衰老进程。但随着衰老时间延长,这些指标开始下降,而AsA/DHA和GSH/GSSG在离体叶片整个衰老过程中明显下降。5mmol·L~(-1)的外源AsA抑制了离体苹果叶片衰老过程中膜脂过氧化,降低了H_2O_2含量。外源AsA也维持了叶片衰老过程中APX、DHAR和GalLDH的高活性,延缓了MDHAR活性的下降,降低了GSH的氧化程度。这表明5 mmol·L~(-1)的外源AsA可以延缓离体苹果叶片的衰老进程。 5.在嘎拉苹果果实常温贮藏过程中,贮藏前期AsA再生酶MDHAR和DHAR活性升高,AsA含量上升。但在贮藏后期,AsA、DHA、GSH、GSSG、总抗坏血酸和总谷胱甘肽含量都开始迅速下降。10 mmol·L~(-1)外源AsA处理的果实呼吸速率和乙烯释放速率峰值均低于对照果实,相对膜透性、MDA和H_2O_2含量变化趋势与对照一致,但低于对照果实水平。10 mmol·L~(-1)外源AsA处理提高了贮藏前期AsA-GSH循环系统相关酶(APX、MDHAR、DHAR和GR)的活性和AsA、GSH水平,处理果实中AsA/DHA在贮藏期间基本大于对照。这表明在贮藏前期外源AsA增强了细胞氧自由基清除能力,防止膜脂过氧化。但在贮藏后期,以上各指标与对照相比没有显著差异。 总之,干旱胁迫和衰老可导致苹果AsA代谢发生改变,引起苹果AsA合成和再生能力的提高,维持AsA含量和氧化还原状态的平衡,从而提高了苹果抵御胁迫的能力,但随着氧化胁迫程度加强,其含量和相关代谢酶活性开始下降。在胁迫条件下,适宜浓度的外源AsA可以提高植物体内抗氧化系统功能,减少了ROS的积累,抑制了膜质过氧化,从而增加了植物对干旱胁迫的抗性和延缓衰老进程,减轻了氧化胁迫对植物的伤害。


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