首页分享硫化氢信号对干旱胁迫下十字花科植物光合作用的调节

硫化氢信号对干旱胁迫下十字花科植物光合作用的调节

来源：花匠小妙招时间：2025-01-08 06:15

硫化氢信号对干旱胁迫下十字花科植物光合作用的调节

【摘要】： 光合作用对植物生长发育至关重要,光合效率是植物生产力和作物产量的根本决定因素。干旱胁迫是影响作物生产的主要逆境之一,可通过抑制叶片光合导致减产,其对光合作用的抑制分为气孔限制和非气孔限制两个方面。近年来,新型气体信号分子硫化氢(H_2S)在高等植物体内生理功能的研究不断深入,表明H_2S信号在调节植物生长发育和环境适应性等方面发挥了重要作用。前期研究发现,生理浓度的H_2S即可诱导叶片气孔关闭,又可增强植物光合作用。令人疑惑的是,气孔关闭作为光合作用的限制因素,H_2S是如何在诱导气孔关闭的同时保证高效的光合作用呢?是否通过调控某些非气孔因素达到目的?为解答以上疑问,本研究以模式植物拟南芥和重要经济作物大白菜为实验材料,从气孔限制和非气孔限制因素两方面展开,探讨H_2S如何帮助十字花科植物应对干旱胁迫,调控其光合效率达到最大化。以此为基础的研究成果,对于作物产量和品质控制有非常重要的理论意义和应用前景。本论文中以拟南芥野生型(WT)与内源H_2S生成酶缺失突变体(lcd/des1)为实验材料进行的研究,在已有报道的H_2S促进K~+外流进而诱导拟南芥气孔关闭研究基础上,重点探讨内源和外源H_2S对光合关键酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(RuBisCo)这一非气孔因素的调控作用,主要结果如下:(1)正常条件下,生理浓度H_2S熏蒸后WT,气孔导度(Gs)与净光合速率(Pn)显著降低,胞间二氧化碳浓度(Ci)显著升高;干旱胁迫后的WT,Gs与Pn显著降低,Ci显著升高;对干旱条件下的WT外源施加H_2S,其Gs下降,Ci降低,Pn升高;干旱条件下,光合作用关键酶AtRuBisCo大、小亚基编码基因均显著下调;外源H_2S处理可上调其表达量并增强AtRuBisCo酶活性至正常水平。(2)相同生长周期内,lcd/des1植株的生长发育缓慢,经外源生理浓度H_2S熏蒸后,Gs下降,Ci显著降低,Pn显著升高;干旱胁迫下的lcd/des1与WT相比,Gs增加,Pn显著降低。特别地,干旱条件下对lcd/des1外源施加H_2S,显著上调AtRuBisCo编码基因的表达量与酶活性。(3)拟南芥RuBisCo酶的大、小亚基:AtRBCL、AtRBCS1A、AtRBCS1B、AtRBCS2B和AtRBCS3B均能检测到本底的巯基化信号,其中AtRBCL和AtRBCS1A、AtRBCS3B可分别被150?mol/L和50?mol/L的NaHS进一步巯基化修饰。本论文中以“矮青1号”大白菜为实验材料,围绕H_2S信号对干旱胁迫下大白菜光合作用中非气孔、气孔因素的调节展开研究,主要结果如下:(1)干旱条件下,大白菜Gs显著下降,Ci显著降低,Pn显著降低;施加外源生理浓度H_2S后,Gs进一步减小,差异显著,Ci降低,Pn显著升高;使用次牛磺酸(HT)清除大白菜内源H_2S后,其Pn显著降低。(2)比对AtRuBisCo得到BrRuBisCo的1种大亚基编码基因(RBCL),7种小亚基编码基因(RBCS),目前于“矮青1号”大白菜中克隆得到BrRBCL和3种BrRBCS。干旱条件下外源H_2S处理可显著上调BrRBCLS24表达量,对BrRBCL表达量无影响;生理浓度HT处理可显著下调BrRBCL和BrRBCS74的表达,一定程度上下调BrRBCS24表达量;正常条件下,HT处理的BrRuBisCo羧化活性显著降低;H_2S处理可缓解干旱胁迫下RuBisCo酶活受到的抑制作用。(3)正常条件下,生理浓度的H_2S处理使大白菜气孔孔径显著减小;干旱条件下的气孔孔径减小,差异显著;利用非损伤微测技术(NMT)分析原因发现,干旱胁迫下保卫细胞的H~+内流,Cl~-大量外流,质膜去极化,造成K~+外流引起气孔关闭;干旱胁迫下施加生理浓度的H_2S,Cl~-外流更加显著,H~+以极小流速值缓慢外流,K~+保持外流,流速值几乎无变化,最终导致气孔孔径进一步减小,其中Cl~-外流可能是H_2S信号促使大白菜关闭气孔的主要原因。综上所述,H_2S信号既可激活叶片保卫细胞膜的离子通道蛋白(尤其是Cl~-),诱导气孔关闭,又调节非气孔因素RuBisCo酶的转录表达及其羧化活性,以增强叶片的光合效率。使得干旱胁迫下的十字花科植物在气孔孔径减小的同时,仍维持较高效率的光合作用,抵抗干旱并保证产量。

【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2020