山榄科(Sapotaceae)果树在NaCI胁迫下的适应生理、组织结构变化及差异蛋白研究

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为开发利用山榄科果树资源,筛选耐盐树种,对其果树的适应生理及耐盐机理进行研究,本文选择5种山榄科果树古巴牛乳树[Manilkara roxburghian a(Wight) Dubard]、人心果[Manilkarazapota(L.) van Royen]、神秘果(Synsepalumdulcifcum Denill)、蛋黄果(Lucuma nervosa A.DC.)和星苹果(Chrysophyllumcainito L.)进行NaCl胁迫下的适应生理、组织结构变化及差异蛋白等方面研究,为实际应用提供理论依据。研究结果如下:   1.研究4属5种山榄科果树在NaC1胁迫下的耐盐性及生理生态响应。采用盆栽试验法,分别用0、2%、4%、6%、8%oNaC1溶液对5种山榄科果树进行了胁迫处理,测定了叶片的叶绿素、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、游离脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛等生理生态指标以及盆土的实际盐度,研究耐盐性并为果树的耐盐机理提供理论依据。结果表明:5种果树中耐盐性较强的为铁线子属的古巴牛乳树和人心果,5种果树的叶绿素合成受明显抑制;SOD、 POD、CAT活性变化与处理浓度有很好的相关性,但3者在不同树种中所起的作用各有侧重,生理活性随处理浓度增加而上升的有:神秘果、蛋黄果、人心果叶的SOD活性,神秘果、蛋黄果叶的POD活性,古巴牛乳树和蛋黄果叶的CAT活性,推测它们在防止活性氧引起的膜脂过氧化及其他伤害过程可能起关键作用,但SOD、POD、CAT活性的变化规律和耐盐性没有直接相关性。每个物种至少有2种有机小分子随处理浓度增加而上升,其中,古巴牛乳树和蛋黄果叶的4种有机小分子均随浓度增加而上升;人心果叶的脯氨酸、可溶性蛋白随处理浓度增加而上升;神秘果叶的脯氨酸、丙二醛随处理浓度增加而上升;星苹果除可溶性蛋白外,其他3种有机小分子随处理浓度增加而上升。研究结果还推断,叶的脯氨酸含量和果树的耐盐性有明显的相关性,脯氨酸含量可以作为果树耐盐性强弱的评价指标之一,而脯氨酸含量的增幅则不宜作为果树耐盐性的评价指标。综合本研究的几个相关指标,推断5种山榄科果树的耐盐性强弱顺序为:蛋黄果<星苹果<神秘果<人心果<古巴牛乳树。   2.首次比较分析古巴牛乳树、人心果在NaCl胁迫下根、枝条、叶的4种离子含量的动态变化及在植物体内的分配情况,从Cl-、Na+在不同器官的分配情况推测植物的抗性方式。结果表明:在NaCl胁迫下,古巴牛乳树和人心果根、枝条、叶的Cl-、Na+、Ca2+含量均随处理浓度增加而增加,K+含量和K+/Na+比随处理浓度增加而降低。   古巴牛乳树根的Cl-含量在8%时为对照的7.86倍,枝条的Cl-含量在8%时为对照的11.82倍,叶的CI-含量在6%时为对照的13.87倍,在89%时达对照的16.53倍。根的K+/Na+比在处理浓度6%时为0.23,在8%时为0.17,枝条的K+/Na+比在处理浓度69%时为0.34,8%0时为0.25,叶的K+/Na+比在处理浓度6时为0.24,在89%时为0.16。相同处理浓度下,Cl-、K+、Ca2+含量高低顺序均为:根<枝条<叶;Na+含量高低顺序为:枝条<根<叶。相同处理浓度下,叶的Cl-、Na+、K+、Ca2+4种离子含量均比根、枝条高。   人心果根的Cl-含量在6%0时为对照的7.96倍,在8%0时达对照的8.94倍,枝条的C1-含量在8%0时为对照的6.77倍,叶的Cl-含量在8%0时达对照的4.49倍。根的Na+含量在8%时为对照的2.16倍,枝条在8%0时为对照的2.88倍,叶在8%0时达2.45倍。根的K+/Na+比在处理浓度6%0时为0.15,在8%时为0.13,枝条的K+/Na+比在处理浓度6%时为0.60,在8%时为0.43,叶的K+/Na+比在处理浓度6%时为0.43,在8%0时为0.35。相同处理浓度下,根的Cl-、Na+含量均最高,具体是Cl-含量高低顺序为:枝条<叶<根;Na+含量高低顺序为:叶<枝条<根;K+含量高低顺序为:根<叶<枝条;Ca2+含量顺序为:根<枝条<叶。   研究结果表明古巴牛乳树和人心果对NaC1胁迫的抗性方式不同,植物体吸收Cl-、Na+后,古巴牛乳树较大部分的将2种离子输送至叶片中,而人心果则是较大部分的将2种离子滞留在根部,具有根系截留效应,推测古巴牛乳树对NaCI胁迫的抗性方式为耐盐性,而人心果的抗性方式为避盐性。研究结果还推测古巴牛乳树、人心果的盐害和细胞Ca2+的自动动态平衡遭到破坏有关。   3.成功完成古巴牛乳树叶片的石蜡切片(厚度达490um),首次探索出厚革质叶片的石蜡切片方法,并推广应用到其它4种不同厚度的果树叶片,同时结合光镜、扫描电镜研究了5种山榄科果树叶的形态结构以及不同处理浓度下古巴牛乳树、人心果叶的形态结构。结果表明:5种山榄科果树叶的气孔器均为无规则型,气孔器密度与耐盐性没有相关关系,而叶片结构与耐盐性有一定相关,古巴牛乳树、人心果耐盐性较强的树种在叶片厚度、上下角质膜厚度、上下表皮厚度、栅栏组织厚度等方面明显高于其它3种较不耐盐的树种,耐盐性最高的古巴牛乳树叶片结构呈现出盐生兼旱生的特点。从研究结果可知,在NaCI胁迫下,古巴牛乳树叶表皮特征、叶结构特征的变化和人心果是一致的。即相比对照,各处理浓度下的叶表皮特征均出现异常,而叶结构特征则在较高处理浓度(6‰、8‰)时才表现异常,在较低处理浓度(0、2%0、4‰)下均未表现出异常。叶表皮特征、叶结构特征的异常情况和处理浓度有一定相关关系,随着处理浓度增加,叶片角质膜的皱褶增多,气孔器进一步变形,气孔开度增大,栅栏组织更加疏松,海绵组织遭受进一步的破坏,韧皮部和木质部受损害的程度加重。所以可以参考叶表皮特征、叶结构特征的异常情况来判断植物受盐害的程度。   4.首次应用双向电泳技术研究古巴牛乳树、人心果叶片在不同NaC1处理浓度下的蛋白质表达差异,并对差异蛋白进行蛋白定量分析、质谱分析和数据库检索鉴定。结果表明:古巴牛乳树叶片蛋白质含量在处理浓度为2%时最高,显著高于对照,之后随处理浓度增加而下降,至8%时显著低于对照,而人心果叶片的蛋白质浓度在处理浓度为2%时显著上升,在4%时有所回落,但随着处理浓度的增加,蛋白质浓度开始上升,至处理浓度为8%时蛋白质浓度最高,各处理浓度下的蛋白质浓度均显著高于对照。古巴牛乳树、人心果叶片的蛋白质浓度随处理浓度增加呈现不同的变化规律,推断对于不同的非盐生植物,其叶片蛋白质含量的变化规律因树种不同而有所差异。   古巴牛乳树叶片差异蛋白表达量变化在2倍以上的有21个(3个上调表达,18个下调表达)。检测到的13个蛋白除编码为1的蛋白点(未知蛋白)上调外,其它12个均为下调的蛋白点,包括与代谢相关的磷酸甘油酸激酶和叶绿体碳酸酐酶,与抗氧化相关的L-抗坏血酸过氧化酶,具有分子伴侣功能的5个热激蛋白等,这些功能的减弱和古巴牛乳树盐害有一定关系。   人心果叶片差异蛋白表达量变化在2倍以上的有35个(15个上调表达,20个下调表达。检测到的24个蛋白有与代谢相关的细胞质型苹果酸脱氢酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、细胞分裂蛋白、ATP合成酶及肽基脯氨酰基顺反异构酶,具有分子伴侣功能的蛋白有7个热激蛋白(包括叶绿体热激蛋白)和RuBP羧化酶大亚基结合蛋白a亚基,与抗氧化相关的蛋白有细胞色素C过氧化物酶,还有5个未知蛋白。研究结果推断导致人心果出现盐害的是细胞分裂蛋白、ATP合成酶、热激蛋白、RuBP羧化酶大亚基结合蛋白a亚基、5个未知蛋白的持续下调,同时还有细胞质型苹果酸脱氢酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶及肽基脯氨酰基顺反异构酶的持续上调。
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