茉莉酸甲酯调控长春花幼苗响应UV-B胁迫的生理代谢研究

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长春花(Catharanthus roseus(L.)G.Don)体内蕴含多种具有药用功效的生物碱,因此受到国内外同行广泛关注。与此同时,长春花中的酚类化合物也具有抗氧化、降血糖、抗肿瘤、抗菌等多种药理功效。UV-B(280~320 nm)胁迫会损害植物的蛋白质、光合色素和细胞膜,影响植物的生长、发育和代谢过程。茉莉酸甲酯(Methyl Jasmonate,MeJA)被认为是植物面临生物与非生物胁迫中产生防御反应的重要信号分子。本试验以长春花幼苗为试验材料,采用外源添加不同浓度(0μmol·L-1、50μmol·L-1、100μmol·L-1、150μmol·L-1)MeJA溶液的方式,研究在增补10μW·cm~2 UV-B辐射处理下不同浓度MeJA对长春花幼苗生长发育、光合特性、渗透调节系统、抗氧化酶系统、初生次生代谢产物积累量以及次生代谢途径相关酶基因表达量的影响,为初步探讨MeJA促进长春花拮抗UV-B胁迫的机制,主要研究结果如下:(1)UV-B处理后,长春花的生长发育和光合作用受到抑制,MDA、脯氨酸和H2O2含量显著上升,抗氧化酶活性降低,总酚含量下降,总黄酮含量积累;外源添加MeJA后长春花幼苗的株高根长有一定水平的恢复,光化学淬灭系数(q P)、电子传递速率(ETR)、最大光合速率(Fv/Fm)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、总酚、光合色素、脯氨酸、抗氧化酶活性含量均显著增加,MDA、H2O2含量、初始荧光(F0)以及非光化学淬灭系数(NPQ)降低。(2)利用GC-MS技术共鉴定出39种初生代谢产物。通过OPLS-DA模型筛选出18种具有显著差异性的化合物,其中UV-B胁迫处理下长春花体内的酸类化合物含量降低,糖类化合物积累。外源添加低浓度的MeJA后鼠李糖、半乳糖苷、蔗糖、果糖的含量较UV-B处理下均显著降低,接近CK水平。通过代谢途径富集分析,得出5种受影响最严重的代谢途径:硫代谢、抗坏血酸和醛糖代谢、柠檬酸循环、氨基糖和核苷酸糖代谢和半乳糖代谢。(3)基于UPLC-MS技术对不同处理下的长春花幼苗叶片中29种酚类代谢产物和9种生物碱进行测定。UV-B胁迫后长春花幼苗叶片中前体物质L-苯丙氨酸显著积累,外加MeJA后有所降低,随着MeJA浓度的增加其含量呈上升趋势。酚酸类和黄酮类化合物在UV-B胁迫下显著积累,外源添加MeJA后酚酸类化合物的含量明显降低。生物碱和苯丙素类化合物在UV-B胁迫下被显著抑制,外源添加MeJA可以调控长春花的次生代谢途径,促进生物碱的合成,引起生物碱的显著积累。将UPLC-MS测得的次生代谢物、GC-MS测得的初生代谢物与耐受性指标之间进行Pearson相关性聚类分析发现,初生代谢产物与生物碱主要响应长春花的抗氧化酶系统,而酚类化合物主要影响植物的渗透调节系统。(4)对酚类代谢途径的4个关键酶基因(Cr CHI、Cr CHS、Cr PAL和Cr F3H)和生物碱代谢途径的4个关键酶基因(Cr D4H、Cr SLS、Cr STR和Cr TDC)进行实时定量PCR测定基因的表达水平。发现UV-B胁迫促进酚类关键基因的表达,外源添加MeJA后其表达水平有不同程度的降低,但仍高于对照处理组的表达量。UV-B处理显著抑制了Cr D4H和Cr STR基因的表达,外源施加MeJA后促进了生物碱关键酶基因的表达量。耐受性指标、次生代谢物与相关酶基因之间进行Pearson相关性聚类分析,生物碱代谢途径和苯丙素类化合物影响长春花的抗氧化酶系统,黄酮类和酚酸类化合物影响长春花的渗透调节能力。综上所述,外源添加适宜浓度的MeJA有利于缓解UV-B胁迫对长春花光合系统、抗氧化酶系统、渗透调节系统以及生物碱含量的抑制。MeJA主要通过调控次生代谢途径关键酶基因表达量变化来影响UV-B胁迫下长春花次生代谢。在实际生产应用中,可以通过外源施加适宜浓度的MeJA来提高长春花的抗逆性为改进长春花栽培措施和提高经济效益提供理论依据。
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