鹽堿和干旱脅迫是影響作物分布和生長發(fā)育的重要環(huán)境脅迫因子。番茄(Solanum lycopersicum L.)在世界范圍內(nèi)廣泛種植,容易受到鹽堿和干旱脅迫的影響。研究番茄對鹽堿及干旱脅迫的抗性機(jī)理,對鹽堿地和干旱地區(qū)番茄的可持續(xù)生產(chǎn)具有重要的理論和應(yīng)用價值。褪黑素是一種在植物體內(nèi)的小分子還原性物質(zhì),參與植物生長發(fā)育和抗性調(diào)控。本研究構(gòu)建了過表達(dá)咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(SlCOMT1)番茄植株,SlCOMT1是控制番茄內(nèi)源褪黑素合成的重要酶,發(fā)現(xiàn)過表達(dá)SlCOMT1可顯著提高番茄的鹽堿和干旱抗性。在此基礎(chǔ)上,對SlCOMT1調(diào)控的鹽堿和干旱抗性的生理和分子機(jī)制進(jìn)行了深入研究,同時對外源褪黑素調(diào)控NaHCO_3脅迫下番茄蛋白S-亞硝基化水平進(jìn)行了研究。主要結(jié)果如下:1.過表達(dá)SlCOMT1提高了番茄植株的耐鹽性過表達(dá)SlCOMT1可顯著提高番茄植株褪黑素積累和耐鹽性,提高了鹽脅迫下葉綠素含量,增強(qiáng)了光化學(xué)電子傳遞效率和暗反應(yīng)速率,進(jìn)而促進(jìn)鹽脅迫下番茄植株的生長。此外,過表達(dá)SlCOMT1還促進(jìn)了鹽脅迫下番茄植株對N、P和K的吸收,提高植株的礦質(zhì)營養(yǎng)水平。過表達(dá)SlCOMT1可激活SOS途徑關(guān)鍵基因(SOS1、NHX1、NHX2、HKT1.1和HKT1.2)的表達(dá)。通過激活SOS1促進(jìn)根系Na~+外排,上調(diào)表達(dá)HKT1.1和HKT1.2抑制Na~+由根部向莖葉組織的運(yùn)輸,再通過NHX1和NHX2增強(qiáng)胞內(nèi)Na~+區(qū)域化解毒,進(jìn)而降低番茄植株各組織的Na~+積累量,提高K~+的吸收量,維持鹽脅迫下組織和細(xì)胞內(nèi)較高的K~+/Na~+,緩解了Na~+對細(xì)胞的毒害作用。鹽脅迫可引起番茄植株ROS(包括O_2.~-和H_2O_2等)爆發(fā),過表達(dá)SlCOMT1提高了鹽脅迫下番茄植株的抗氧化酶(SOD、POD、CAT、GR和DHAR)活性和抗氧化物質(zhì)(AsA和GSH)含量,增強(qiáng)ROS清除能力,降低番茄植株的膜脂過氧化傷害。另外,過表達(dá)SlCOMT1還可激活植物逆境響應(yīng)基因(AREB1、AIM1、MAPK1、WRKY33、DREB和CDPK1)的表達(dá),可能是其提高番茄耐鹽性的重要機(jī)制。2.過表達(dá)SlCOMT1提高了番茄的耐旱性過表達(dá)SlCOMT1抑制了干旱脅迫下番茄葉綠素的降解,促進(jìn)了光合作用的進(jìn)行以及根系、株高、莖粗和植株重量的增加。進(jìn)一步研究表明,過表達(dá)SlCOMT1激活了干旱脅迫下ABA合成相關(guān)基因(ZEP、NCED3和ABA3)的表達(dá),提高了ABA受體基因(PYL1、PYL2、PYL4、PYL8、PYL9和PYL10)的表達(dá),誘導(dǎo)ABA信號傳遞,控制葉片氣孔關(guān)閉,降低蒸騰速率,減少水分耗散,維持了干旱脅迫下番茄植株較高的含水量。過表達(dá)SlCOMT1通過提高干旱脅迫下番茄植株的抗氧化酶(SOD、POD、CAT、GR和DHAR)活性和抗氧化物質(zhì)(AsA和GSH)的含量,清除ROS,降低番茄植株的膜脂過氧化傷害。另外,過表達(dá)SlCOMT1還激活了逆境響應(yīng)因子(DREB1、AREB1、ERF5、WRKY33、MYB和LEA)的表達(dá),在提高番茄植株的耐旱性方面發(fā)揮重要作用。3.外源褪黑素對NaHCO_3脅迫下番茄蛋白質(zhì)S-亞硝基化修飾的調(diào)控NaHCO_3脅迫能顯著誘導(dǎo)細(xì)胞亞硝基化傷害,并引起蛋白質(zhì)整體亞硝基化修飾水平上升,褪黑素能與胞內(nèi)活性氮(RNS)發(fā)生氧化還原反應(yīng),清除脅迫誘導(dǎo)的亞硝基化傷害,降低蛋白質(zhì)亞硝基化修飾水平。通過IodoTMT的蛋白質(zhì)亞硝基化組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),NaHCO_3脅迫所引起的亞硝基化修飾的蛋白質(zhì)主要分布在葉綠體、細(xì)胞質(zhì)和線粒體等能量代謝旺盛的亞細(xì)胞器中,而褪黑素可有效促進(jìn)脅迫條件下葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的去亞硝基化反應(yīng)。通過GO、Pathway和關(guān)鍵生理指標(biāo)聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn):褪黑素降低了堿脅迫引起的光合作用途徑中蛋白質(zhì)的亞硝基化修飾,提高了NaHCO_3脅迫下的葉綠素含量,最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、天線轉(zhuǎn)換效率(Fv’/Fm’)、實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)以及光合電子傳遞的相對速率(ETR),降低了非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ),提高了NaHCO_3脅迫下番茄葉片對光能的吸收利用,提高了光合作用;在NaHCO_3脅迫下,褪黑素顯著降低了脅迫引起的酰胺類生物合成的蛋白質(zhì)S-亞硝基化,并提高了脅迫下氮代謝過程中的谷氨酰胺合成酶(GS),谷氨酸脫氫酶(GDH)和谷氨酸合酶(GOGAT)活性,提高了氮同化效率;褪黑素降低了NaHCO_3脅迫引起的脂肪酸途徑蛋白質(zhì)的亞硝基化修飾,并增加了不飽和脂肪酸(油酸、亞油酸、γ-亞麻酸、α-亞麻酸、順-11,14-二十碳二烯酸、順-11,14,17-二十碳三烯酸和芥酸)的含量,降低了飽和脂肪酸(月桂酸、肉豆蔻酸和山崳酸)的含量,提高了不飽和脂肪酸/飽和脂肪酸的比值,增強(qiáng)了NaHCO_3脅迫下膜的穩(wěn)定性和流動性。
【學(xué)位單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S641.2
【部分圖文】：

褪黑素調(diào)控番茄適應(yīng)鹽堿和干旱脅迫的分子生理機(jī)制的 Na+外排過程，還參與到根系中 Na+從根系向地上部的運(yùn)/蘇氨酸蛋白激酶，其 C 末端具有一個調(diào)控區(qū)域；SOS3是 Ca合，參與脅迫反應(yīng)（Yang et al., 2018b; Nutan et al., 2018）。u, 2003）所示：當(dāng)植物受到鹽堿脅迫時，外界過多的 Na+會Ca2+與 SOS3 結(jié)合后促進(jìn) SOS3 與 SOS2 的結(jié)合，并激活下游蛋白（NHX1）以及高親和 K+通道蛋白（HKT），增強(qiáng)對細(xì)的吸收，維持鹽堿脅迫下細(xì)胞內(nèi)的 Na+/K+平衡（Apse et al., 2

鹽堿和干旱脅迫抗性的研究進(jìn)展研究進(jìn)展nin, MEL），化學(xué)名稱 N-乙酰基-5-甲氧基是一種色氨酸的吲哚類衍生物，分子式為 C1 Lerner（1958）從牛的松果體中分離。由于其一段時間內(nèi)，褪黑素一直被認(rèn)為是動物專有激測到褪黑素的存在（Hattori et al. 1995; Dubbels到了褪黑素，由此證明褪黑素廣泛存在于植黑素的存在（Arnao 和 Hernandez-Ruiz, 2014; 素的含量從 ng/g-μg/g 不等（Chen et al., 2003;

褪黑素調(diào)控番茄適應(yīng)鹽堿和干旱脅迫的分子生理機(jī)制 5-羥色胺-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶（Serotonin N-acetyl色胺（N-acetylserotonin），最后在 N-乙酰-5ethyltransferase, ASMT ） 或 者 羥 基 吲 哚 氧thyltransferase, HIOMT）的作用下生成褪黑素動物中的稍有不同。植物中的色氨酸首先在后在 T5H 的作用下生成 5-羥色胺，然后經(jīng)過Zhang et al., 2015）。目前，褪黑素合成的四ujiwara et al., 2010; Zhao et al., 2018; Kang et al

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2831938