乙酰胆碱调控烟草幼苗盐胁迫的生理机制

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:yingluoyuchen
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盐胁迫是影响作物生长发育和产量的主要非生物胁迫因素之一。施用外源物质作为一种简易有效的途径可有效减缓盐胁迫的伤害,具有广阔的应用前景。乙酰胆碱作为人类和动物大脑中广泛存在的神经递质,在植物中也开展了相关的生理作用及机理研究,但关于外施乙酰胆碱提高植物抗逆生理作用的研究虽有报道,但不够系统深入,尤其是对耐盐性调控研究较为缺乏。因此,深入明晰乙酰胆碱减缓植物盐胁迫的效果及作用机制并加以有效利用具有重要意义。本研究以模式植物本氏烟草作为研究对象,通过水培试验模拟盐胁迫处理,研究盐胁迫诱导下烟草幼苗乙酰胆碱含量的时空分布规律;盐胁迫下外源乙酰胆碱对烟草幼苗生长、光合特性、水分代谢、叶绿素合成代谢的影响,并通过转录组分析,揭示乙酰胆碱缓解烟草盐胁迫的生理机制,为生产中施用乙酰胆碱提高作物耐盐性和抗性育种提供理论依据。主要结果如下:1.采用酶联免疫吸附法(ELl SA)检测盐胁迫下不同时段烟草幼苗根、茎、老叶和幼叶各器官的乙酰胆碱含量。结果表明,烟草幼苗各器官均检测到乙酰胆碱的存在;内源乙酰胆碱含量由高到低依次为幼叶>根>茎>老叶;随着盐胁迫时间的延长,乙酰胆碱首先在根部累积,茎部和幼叶的乙酰胆碱含量均于盐胁迫处理72 h后达到最大值,与对照处理相比差异达显著水平,其中,盐胁迫处理72 h后幼叶含量比对照增加了74.34%。表明本氏烟草幼苗在受到盐胁迫诱导后,根系首先响应,而地上部分中幼叶则是乙酰胆碱抵御外界不良环境的主要响应器官,且与处理时间有关,较系统的阐明了盐胁迫诱导下的烟草幼苗乙酰胆碱含量的时空分布规律。2.采用根施及叶喷两种方式,研究不同浓度的乙酰胆碱对盐胁迫下烟草幼苗的植株生长状况以及主要生理特性的调控效应。外源施用10(?)M乙酰胆碱显著促进盐胁迫下烟草植株的生长和干物质的累积,其中植株地上部干重与盐胁迫处理相比提高了10.54%。此外,外源10(?)M乙酰胆碱可提高叶片含水量、根系活力,促进脯氨酸和可溶性糖的累积,从而导致丙二醛含量、相对电导率及水分饱和亏显著降低。因此选用适宜的乙酰胆碱浓度可有效的缓解盐胁迫导致的膜脂过氧化,维持细胞脂膜稳定性,促进植株的渗透调控能力,从而维持植株的正常生长,减缓烟草幼苗的盐胁迫伤害。3.外源10(?)M乙酰胆碱处理后根系水导和叶片相对含水量分别较盐胁迫处理后增加了65.45%和15.46%;同时显著降低各部位Na+/K+,根、茎、叶部Na+/K+分别降低67%、34.98%和26.14%。通过叶片染色(伊文思蓝、氮蓝四唑和二氨基联苯胺)分析说明乙酰胆碱能够减缓盐胁迫诱导的活性氧的累积。同时定量化检测外源乙酰胆碱处理后叶片超氧阴离子(O2·-)、过氧化氢(H2O2)及丙二醛(MDA)含量,与盐胁迫处理相比,分别降低了29.96%、24.84%和46.7%。外源乙酰胆碱处理显著提高了叶片超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性。与盐胁迫处理5 d相比,乙酰胆碱(ACh)含量和胆碱乙酰转移酶活性(Ch AT)提高了17.36%和23.6%。外源乙酰胆碱在一定程度缓解盐胁迫导致的水分散失,改善离子失衡,提高抗氧化能力,乙酰胆碱合成代谢等,从而缓解植株的盐胁迫损伤。4.乙酰胆碱可促进盐胁迫下叶绿素生物合成中间体胆色素原(PBG)和尿卟啉III(Uro III)的合成以及加速其产物向下游物质的代谢速率,导致下游产物原卟啉IX(Proto-IX)、镁原卟啉IX(Mg-Proto IX)和原叶绿素酸酯(Pchl)的大量累积;同时可通过激活叶绿素合成关键酶基因HEMA1、CAO、CHLH和POR的表达,提高叶绿素的合成水平。外源乙酰胆碱处理显著提高盐胁迫处理15 d后叶片净光合速率(A)、气孔导度(gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(E),与盐胁迫处理相比,分别提高了54.56%、86.47%、13.79%和31.36%。同时,外源乙酰胆碱处理可显著提高盐胁迫下叶片初始荧光和最大荧光。因此,外源乙酰胆碱缓解了盐胁迫引起的烟草幼苗叶片失绿状态,促进了叶绿素合成进程,促进叶绿素荧光参数及光合性能。5.通过转录组分析显示,盐胁迫下外源乙酰胆碱对烟草转录组有明显的影响,导致527个基因和131个基因分别显著上调和下调。对这些差异基因进行KEGG通路分析,表明乙酰胆碱诱导盐胁迫后烟草中差异表达基因富集在16个通路中,而高比例的、特异的响应盐胁迫的差异表达基因富集在DNA复制、多种环境中的微生物代谢、内质网中蛋白质加工以及植物激素信号转导通路中。乙酰胆碱可通过调控编码渗透调节、光合代谢和氧化还原调节相关的基因提高烟草的耐盐能力,另外可通过增强参与油菜素内脂、生长素、赤霉素及水杨酸信号转导途径及部分转录因子基因的表达;以及细胞壁合成修饰在乙酰胆碱耐盐过程中发挥作用。盐胁迫下外源乙酰胆碱处理使转录组的变化整体趋向于恢复到对照水平。表明乙酰胆碱可能起到一种类似于激发子的引发作用,参与烟草盐胁迫缓解的串扰网络中。总之,乙酰胆碱可通过缓解氧化损伤、维持植株水分吸收、调节光合能力和叶绿素代谢等多个方面揭示其缓解烟草幼苗盐胁迫损伤的生理机制,并采用转录组测序技术,全面解析乙酰胆碱缓解盐胁迫中涉及的差异表达基因及分子调控途径,为乙酰胆碱作为新型诱导剂如何精准合理施用以最大程度地缓解盐胁迫伤害提供理论支撑。
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