為揭示外源蔗糖參與干旱脅迫下高表達(dá)轉(zhuǎn)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(jiǎn)稱:PC）種子萌發(fā)的生理機(jī)制,該研究以PC及其未轉(zhuǎn)基因野生型受體‘Kitaake’（簡(jiǎn)稱:WT）的種子為材料,研究外施不同濃度蔗糖聯(lián)合模擬干旱（10%PEG-6000）處理下,其種子發(fā)芽參數(shù)、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(guān)蛋白激酶（SNF1-related protein kinase 1s, SnRK1s）基因以及PEPC基因表達(dá)等參數(shù)的變化。結(jié)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(jìn)胚根的生長(zhǎng);外施蔗糖則呈現(xiàn)濃度效應(yīng),高濃度蔗糖(>150 mmol·L^-1)進(jìn)一步加劇了干旱對(duì)發(fā)芽的抑制效應(yīng),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(xué)報(bào). 2020,40(11)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：12 頁(yè)

【部分圖文】：

不同濃度蔗糖聯(lián)合PEG-6000處理對(duì)種子C4-pepc

根據(jù)圖1不同處理的發(fā)芽表現(xiàn),選取了4個(gè)處理,包括對(duì)照(CK)、單獨(dú)干旱處理(DS)以及分別對(duì)WT (DS+30 mmol/L Suc)和PC (DS+3 mmol/L Suc)增益效果的蔗糖濃度,進(jìn)一步分析其品種差異表現(xiàn)的內(nèi)在生理機(jī)制。如表2所示,在WT中,種子內(nèi)可溶性糖的含量均在12 h時(shí)開始顯著上升,且24 h時(shí)達(dá)到最高水平,單獨(dú)干旱處理組和聯(lián)合處理組種子內(nèi)可溶性糖含量均比對(duì)照高,但兩個(gè)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(nèi)可溶性糖含量逐漸下降,96 h時(shí)基本已下調(diào)至初始水平;而在PC中,4種處理后可溶性糖含量變化趨勢(shì)有所差別,對(duì)照和單獨(dú)干旱處理組種子內(nèi)可溶性糖含量隨著萌芽時(shí)間的延長(zhǎng),含量逐漸上升,且單獨(dú)干旱處理后比對(duì)照種子內(nèi)可溶性糖含量高,而聯(lián)合處理的兩組,種子內(nèi)可溶性糖含量先上升,后下降,且與WT一致的也是24 h時(shí)達(dá)到最大值,特別是3 mmol·L-1 蔗糖聯(lián)合干旱處理組,種子內(nèi)可溶性糖含量24 h內(nèi)驟然上升,96 h時(shí)又回落至與對(duì)照類似的水平�？梢�,可溶性糖在兩種材料中經(jīng)PEG-6000模擬的干旱處理后與對(duì)照相比都有上調(diào)趨勢(shì),說明種子在面臨干旱脅迫時(shí),利用增加可溶性糖的途徑增加了滲透勢(shì)。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(shì),單獨(dú)干旱處理和蔗糖聯(lián)合干旱處理,可以緩解一些可溶性蛋白降解,與未處理對(duì)照相比,在處理12 h時(shí), 兩供試材料無論是單獨(dú)干旱還是干旱聯(lián)合2種蔗糖濃度的處理,均呈顯著增加趨勢(shì);之后處理的可溶性蛋白則成下降趨勢(shì)。其中對(duì)于WT而言,30 mmol·L-1蔗糖聯(lián)合干旱處理組的緩解效果最好,而對(duì)于PC而言則是3 mmol·L -1 蔗糖聯(lián)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(yīng)干旱時(shí)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(chǎn)生滲透物質(zhì)更多,有利于其耐旱。2.3 外施不同濃度蔗糖聯(lián)合PEG-6000模擬干旱處理后種子內(nèi)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(gè)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(guān)鍵分支點(diǎn)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(chǎn)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(xiàn)該酶存在于所有植物、綠藻和藍(lán)細(xì)菌以及大多數(shù)古細(xì)菌和非光合細(xì)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(duì)照,外施不同濃度蔗糖聯(lián)合10% PEG-6000模擬干旱處理,觀察到10%PEG-6000單獨(dú)模擬干旱處理下,均抑制了兩材料種子的萌發(fā)表現(xiàn),其中PC種子發(fā)芽表現(xiàn)比WT好,進(jìn)一步在外源低蔗糖濃度處理范圍內(nèi),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(duì)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(dǎo)入C4-pepc和內(nèi)源性O(shè)sppc2a隨著干旱處理和聯(lián)合干旱處理早期呈現(xiàn)互補(bǔ)式上調(diào)趨勢(shì),提示蔗糖對(duì)PC水稻干旱下萌發(fā)表現(xiàn)的緩解作用與外源C4-pepc基因?qū)胨居嘘P(guān)。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(xì)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(fù)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(jié)構(gòu)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(gè)共同的祖先基因進(jìn)化而來,在遺傳水平上表現(xiàn)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(xué)和遺傳學(xué)也進(jìn)行了廣泛研究,并闡明了其酶催化和調(diào)節(jié)特征。而關(guān)于PTPCs非光合作用的功能也逐漸被揭示,主要包括促進(jìn)碳氮相互作用、種子形成和萌發(fā)以及果實(shí)成熟,并在氣孔開放期間保護(hù)細(xì)胞代謝和提供蘋果酸鹽作為豆科植物根瘤共生N2固定細(xì)菌的呼吸基質(zhì)等[40]。對(duì)淀粉儲(chǔ)存谷物種子如大麥(Hordeum vulgare)和小麥(Triticum aestivum)以及儲(chǔ)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(bǔ)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(xì)胞庫(kù)[44-45]。Ruiz-Ballesta等[46]通過PEPC對(duì)高粱發(fā)芽的種子的研究表明:谷物種子同時(shí)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(diào)動(dòng)底層胚乳中的淀粉和蛋白質(zhì)儲(chǔ)備。通過同位素穩(wěn)態(tài)代謝中間體標(biāo)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(yīng)進(jìn)入TCA循環(huán)[47]。在干旱條件下,外源導(dǎo)入的C4-pepc在轉(zhuǎn)基因水稻植株中誘導(dǎo)增加,這個(gè)基因的調(diào)節(jié)受到H2O 2 [8] 、NO[48]、磷脂酸[49]以及鈣離子[50]等信號(hào)的調(diào)節(jié)。本研究結(jié)果也表明,經(jīng)蔗糖聯(lián)合干旱處理后,PC萌發(fā)的種子中與對(duì)照相比具有較高的發(fā)芽表現(xiàn),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(dá)也顯著上調(diào);同時(shí),PC水稻內(nèi)源的Osppc2a在單獨(dú)模擬干旱處理6 h時(shí)可誘導(dǎo)顯著增加,提示內(nèi)源的C3型PEPC可能也發(fā)揮作用,而蔗糖引入后,其Osppc2a表達(dá)量雖有所下降,但仍高于WT同期處理。至于單獨(dú)模擬干旱條件誘導(dǎo)內(nèi)源C3型PEPC基因的表達(dá)是否與水稻外源C4型PEPC基因的導(dǎo)入相關(guān),還需深入研究。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3630212