水稻葉片早衰突變體的糖代謝基因表達與抗氧化生理調控.pdf

1、在水稻栽培實踐中，功能葉片早衰對水稻生育后期的籽粒灌漿和產(chǎn)量性狀形成具有顯著影響，嚴重制約水稻產(chǎn)量潛力的發(fā)揮、甚至造成大幅度減產(chǎn)，對水稻葉片早衰現(xiàn)象，尤其是灌漿期功能葉片早衰形成的生理特性等問題的研究，對于通過品種選育和栽培管理等途徑提高我國水稻產(chǎn)量和改善高產(chǎn)品種的穩(wěn)產(chǎn)性均具有重要的理論和實踐意義。為此，本文以輻射誘變的葉片早衰突變體(earlysenescence leaf, esl)及其野生型水稻為試驗材料，從光合生理、糖代謝和抗氧

2、化調節(jié)三個方面，對葉片衰老與PSⅡ反應中心有關基因表達間的相互關系，葉片衰老過程的糖信號與糖轉運特征，以及H2O2對葉片衰老的調控及其代謝生理機制進行了探討分析。主要研究結果如下:
　　1.葉綠體降解、光合速率下降和葉綠素a/b值降低是水稻葉片衰老的重要生理特點。與野生型對照相比，葉片早衰突變體esl旗葉中的最大熒光Fm、可變熒光Fv和最大光化學轉化效率Fv/Fm顯著降低，初始熒光Fo和熱耗散量值（D=1-Fv/Fm）顯著增加，C

3、ab基因和PSⅡ反應中心蛋白基因(PsbA、PsbB、PsbC和PsbD)的表達量顯著下降，表明esl突變體水稻葉片衰老與PSⅡ反應中心的活性受損、光合原初反應受到抑制有關，導致其光能不能有效地轉化為化學能，能量的熱耗散增加，進而引起其光能利用率顯著降低，早衰突變體在籽粒灌漿過程中的光合速率下降。
　　2.通過對早衰突變體esl與其野生型籽粒灌漿過程中的旗葉糖類含量差異、糖信號與糖轉運類的基因表達及其動態(tài)變化的檢測分析表明，esl

4、突變體旗葉中的己糖含量在葉片衰老的起始階段已顯著高于其野生型，可能作為信號分子感知葉片的衰老信號，之后可溶性總糖、蔗糖和己糖含量也有所降低，并引起葉片形成糖饑餓現(xiàn)象，從而加快了葉片的衰老，利用離體水稻葉片的外源糖處理進一步證實，外源糖的添加處理會延緩葉片衰老進程，而糖饑餓則會加快葉片衰老。其中，Hxk1和Hxk2負責感知葉片衰老過程中的己糖信號，共同參與葉片衰老進程的調控;SuSy1、SuSy2、SuSy4、CIN1和CIN4是蔗糖裂解

5、代謝環(huán)節(jié)中參與水稻葉片衰老代謝過程和感知胞內蔗糖信號變化的5個重要功能型基因。與野生型對照相比，早衰突變體esl旗葉中的SuSy1、SuSy2、SuSy4表達量在葉片衰老的起始階段相對較高，但此后則迅速下降，顯著低于其相應時期的野生型，且離體葉片的糖培養(yǎng)試驗表明，這5個同工型基因的表達對糖水平變化較為敏感，感知胞內的蔗糖信號，并受糖水平調控;此外，由SUT催化的蔗糖轉運代謝與葉片衰老過程也存在密切關系，早衰突變體esl旗葉中的SUT1表

6、達量在葉片衰老的前期較高，有利于蔗糖在葉片衰老前的較快速輸出。與此同時，由于esl突變體葉片的光合同化能力下降、cyFBP和SPS1、SPS2、SPS6、SPS8的表達量降低，引起早衰葉片中的蔗糖合成也有所減少，但由于參與淀粉合成代謝的AGP同工基因的表達也同時受到抑制，而調控淀粉降解代謝途徑的關鍵基因Amy2A和Amy4的表達量增加，從而會導致早衰突變體衰老葉片中的淀粉含量顯著降低。
　　3.AsA-GSH循環(huán)調控不同亞細胞部位

7、的H2O2水平，與植物的抗逆和衰老等代謝過程有著較密切聯(lián)系。與野生型對照相比，早衰突變體esl旗葉中的H2O2含量在水稻灌漿開始時較高，之后有所下降，在灌漿中后期又有較明顯“回升”，MDA含量在esl旗葉衰老過程中持續(xù)增加，與其野生型間的差異幅度也逐漸增大;對早衰突變體esl旗葉衰老過程中的APX和GR活性測定結果表明，早衰突變體esl旗葉中的APX和GR活性在水稻籽粒灌漿初期要高于其野生型，這可能與早衰突變體esl旗葉在該時期相對較高

8、的H2O2水平有關，之后esl旗葉中APX酶活性也顯著降低。通過對早衰突變體esl與野生型旗葉衰老過程中的OsAPXs基因表達動態(tài)的差異比較得知，細胞質型OsAPXs（OsAPX1、OsAPX2）和葉綠體型OsAPX7在早衰突變體esl旗葉衰老的起始階段呈上調表達，而過氧化物體型OsAPX4和類囊體膜結合型OsAPX8則呈下調表達。利用離體水稻葉片的外源H2O2處理試驗結果揭示，OsAPX1和OsAPX2受H2O2上調表達，OsAPX4

9、和OsAPX8被H2O2下調表達，而OsAPX6對外源H2O2不敏感，OsAPX7的表達則隨H2O2濃度而變化。由于過氧化物體和類囊體膜是植物細胞生成H2O2的兩個主要亞細胞部位，因而OsAPX4和OsAPX8在早衰突變體esl旗葉衰老啟始階段的下調表達會導致經(jīng)過氧化物體和類囊體膜產(chǎn)生的H2O2增多，而多余的H2O2可能會向細胞質和葉綠體基質內擴散，誘導OsAPX1、OsAPX2和OsAPX7分別在細胞質和葉綠體內表達，從而引起APX酶

10、活性升高。
　　4.AsA-GSH循環(huán)雖然可以精確調控不同亞細胞結構內的H2O2水平，但當細胞內H2O2大量積累時，AsA-GSH循環(huán)的調控作用會受到抑制，此時細胞內的CAT酶可以有效地響應不同亞細胞部位內的H2O2水平，并對其在細胞中的濃度變化產(chǎn)生調控。利用離體水稻葉片，進行外源H2O2處理試驗表明，CATA和CATB受外源H2O2誘導表達，而CATC對H2O2處理不敏感;對上述3個CAT基因在早衰突變體esl旗葉衰老過程中的動

11、態(tài)表達及其與野生型間的差異比較表明，esl突變體葉片中的CATA和CATB在衰老前期表達較高，且高于野生型，并隨葉片衰老而逐漸下降，CATA比CATB的下降幅度更快，而CATC在衰老過程中無顯著表達變化，esl突變體葉片中CATA和CATB的表達可能受葉片衰老前期高H2O2水平誘導，而這2個基因在衰老后期的下降表達，可能使葉片細胞中H2O2調控失衡，進而加劇衰老。
　　5.質膜NADPH氧化酶(Plasma membrane NA

12、DPH oxidase，PM-NOX)是植物細胞內O2-的主要來源之一，由O2-通過SOD歧化作用產(chǎn)生的H2O2是植物細胞中的重要信號分子，在植物的逆境響應和衰老過程起重要的調控作用。對PM-NOX同工基因在esl突變體葉片衰老過程中的表達及其與野生型間的差異比較表明，NOX2、NOX5、NOX6和NOX7在esl葉片衰老起始階段高表達，而NOX1、NOX3和FR07的表達量較低;采用外源ABA處理離體水稻葉片試驗揭示，NOX2、NOX