為揭示外源蔗糖參與干旱脅迫下高表達轉玉米C₄型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPC）基因（C₄-pepc）水稻（簡稱:PC）種子萌發(fā)的生理機制,該研究以PC及其未轉基因野生型受體‘Kitaake’（簡稱:WT）的種子為材料,研究外施不同濃度蔗糖聯合模擬干旱（10%PEG-6000）處理下,其種子發(fā)芽參數、總可溶性糖及可溶性蛋白含量、蔗糖非發(fā)酵1 （sucrose nonfermenting-1, SNF1）相關蛋白激酶（SNF1-related protein kinase 1s, SnRK1s）基因以及PEPC基因表達等參數的變化。結果表明:（1）PEG-6000模擬干旱處理均顯著抑制兩材料發(fā)芽,但明顯促進胚根的生長;外施蔗糖則呈現濃度效應,高濃度蔗糖(>150 mmol·L^-1)進一步加劇了干旱對發(fā)芽的抑制效應,而低濃度(<30 mmol·L^-1)則可緩解干旱的抑制,但與WT(<30 mmol·L^-1

【文章來源】：西北植物學報. 2020,40(11)北大核心CSCD

【文章頁數】：12 頁

【部分圖文】：

不同濃度蔗糖聯合PEG-6000處理對種子C4-pepc

根據圖1不同處理的發(fā)芽表現,選取了4個處理,包括對照(CK)、單獨干旱處理(DS)以及分別對WT (DS+30 mmol/L Suc)和PC (DS+3 mmol/L Suc)增益效果的蔗糖濃度,進一步分析其品種差異表現的內在生理機制。如表2所示,在WT中,種子內可溶性糖的含量均在12 h時開始顯著上升,且24 h時達到最高水平,單獨干旱處理組和聯合處理組種子內可溶性糖含量均比對照高,但兩個糖濃度處理下可溶性糖的含量差異不明顯,24 h之后種子內可溶性糖含量逐漸下降,96 h時基本已下調至初始水平;而在PC中,4種處理后可溶性糖含量變化趨勢有所差別,對照和單獨干旱處理組種子內可溶性糖含量隨著萌芽時間的延長,含量逐漸上升,且單獨干旱處理后比對照種子內可溶性糖含量高,而聯合處理的兩組,種子內可溶性糖含量先上升,后下降,且與WT一致的也是24 h時達到最大值,特別是3 mmol·L-1 蔗糖聯合干旱處理組,種子內可溶性糖含量24 h內驟然上升,96 h時又回落至與對照類似的水平�？梢�,可溶性糖在兩種材料中經PEG-6000模擬的干旱處理后與對照相比都有上調趨勢,說明種子在面臨干旱脅迫時,利用增加可溶性糖的途徑增加了滲透勢。各處理間種子可溶性蛋白含量的變化見表3,總可溶性蛋白均呈下降的趨勢,單獨干旱處理和蔗糖聯合干旱處理,可以緩解一些可溶性蛋白降解,與未處理對照相比,在處理12 h時, 兩供試材料無論是單獨干旱還是干旱聯合2種蔗糖濃度的處理,均呈顯著增加趨勢;之后處理的可溶性蛋白則成下降趨勢。其中對于WT而言,30 mmol·L-1蔗糖聯合干旱處理組的緩解效果最好,而對于PC而言則是3 mmol·L -1 蔗糖聯合干旱處理組的�？梢�,外源蔗糖引入后,可引起供試材料種子在響應干旱時其可溶性糖以及可溶性蛋白在種子萌發(fā)不同階段的變化,其中PC的產生滲透物質更多,有利于其耐旱。2.3 外施不同濃度蔗糖聯合PEG-6000模擬干旱處理后種子內可溶性糖組分含量的變化

磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)是多功能酶,在植物的各個生命過程發(fā)揮重要作用。首先,在C4植物和CAM植物中,它是位于植物碳水化合物固定的關鍵分支點的重要酶,它可在HCO-3存在下催化PEP不可逆的β-羧化,Mg2+作為輔助因子產生OAA和Pi,在植物光合作用中發(fā)揮重要作用[5]。近年來,發(fā)現該酶存在于所有植物、綠藻和藍細菌以及大多數古細菌和非光合細菌中,并以非光合酶發(fā)揮重要作用[38-40]。本研究以PC種子為研究材料,并以WT種子為對照,外施不同濃度蔗糖聯合10% PEG-6000模擬干旱處理,觀察到10%PEG-6000單獨模擬干旱處理下,均抑制了兩材料種子的萌發(fā)表現,其中PC種子發(fā)芽表現比WT好,進一步在外源低蔗糖濃度處理范圍內,均能緩解WT和PC種子萌發(fā)因干旱脅迫而受到的抑制,其中3 mmol·L-1蔗糖溶液處理是PC的最佳處理濃度,而30 mmol·L-1蔗糖溶液處理則更適合WT的,可見對緩解PC芽期干旱抑制的蔗糖濃度更低,而且,在PC萌發(fā)過程中,外源導入C4-pepc和內源性Osppc2a隨著干旱處理和聯合干旱處理早期呈現互補式上調趨勢,提示蔗糖對PC水稻干旱下萌發(fā)表現的緩解作用與外源C4-pepc基因導入水稻有關。磷酸烯醇丙酮酸羧化酶是屬于包括植物型PEPC(Plant-type phosphoenolpyruvate carboxylase, PTPC)和細菌型PEPC(Bacterial-type phosphoenolpyruvate carboxylase, BTPC) 小型多基因家族。BTPC和PTPC相互作用,形成2類異性寡聚多肽復合物,在蓖麻(Ricinus communis)種子發(fā)育中發(fā)揮重要作用[41]。PTPC基因編碼的105～110 kD多肽,其具有保守的N-末端絲氨酸-磷酸化結構域,并且通常以同源四聚體1類PEPC存在[42]。 PTPCs被歸類為光合作用[C4和CAM (Crassulacean acid metabolism)PEPCs]或非光合作用(C3)同工酶。所有PTPCs都是從一個共同的祖先基因進化而來,在遺傳水平上表現出高度的保守性[43]。C4和CAM葉片的光合PTPC同工酶的生物化學和遺傳學也進行了廣泛研究,并闡明了其酶催化和調節(jié)特征。而關于PTPCs非光合作用的功能也逐漸被揭示,主要包括促進碳氮相互作用、種子形成和萌發(fā)以及果實成熟,并在氣孔開放期間保護細胞代謝和提供蘋果酸鹽作為豆科植物根瘤共生N2固定細菌的呼吸基質等[40]。對淀粉儲存谷物種子如大麥(Hordeum vulgare)和小麥(Triticum aestivum)以及儲油雙子葉植物種子的研究一直暗示著PEPC在種子萌發(fā)過程中具有重要的補缺功能,以建立引發(fā)隨后的三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic acid cycle,TCA)和乙醛酸循環(huán)活性所需的C4酸細胞庫[44-45]。Ruiz-Ballesta等[46]通過PEPC對高粱發(fā)芽的種子的研究表明:谷物種子同時通過單泛素化和磷酸化過程,在其糊粉層合成并分泌各種酸性水解酶,以調動底層胚乳中的淀粉和蛋白質儲備。通過同位素穩(wěn)態(tài)代謝中間體標記的方法研究發(fā)芽萵苣(Lactuca sativa)種子中TCA循環(huán)的模型表明,70%來自碳水化合物氧化的糖酵解通量通過PEPC反應進入TCA循環(huán)[47]。在干旱條件下,外源導入的C4-pepc在轉基因水稻植株中誘導增加,這個基因的調節(jié)受到H2O 2 [8] 、NO[48]、磷脂酸[49]以及鈣離子[50]等信號的調節(jié)。本研究結果也表明,經蔗糖聯合干旱處理后,PC萌發(fā)的種子中與對照相比具有較高的發(fā)芽表現,并具有較高的總的可溶性糖和可溶性蛋白含量,且C4-pepc表達也顯著上調;同時,PC水稻內源的Osppc2a在單獨模擬干旱處理6 h時可誘導顯著增加,提示內源的C3型PEPC可能也發(fā)揮作用,而蔗糖引入后,其Osppc2a表達量雖有所下降,但仍高于WT同期處理。至于單獨模擬干旱條件誘導內源C3型PEPC基因的表達是否與水稻外源C4型PEPC基因的導入相關,還需深入研究。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3630212