镉胁迫对豌豆生长前期的生理影响及叶绿素代谢途径基因表达特性分析

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镉污染是作物减产降低品质的原因之一,影响植物的正常生长发育。因此,研究镉胁迫对作物的毒害及其机理和防治具有重要意义。本试验以豌豆JI992为研究材料,分别在发芽期和幼苗期进行不同浓度镉(0.01-0.04 mM CdCl2)胁迫处理,探究豌豆应对镉胁迫的生理响应及从基因表达水平探讨其具体的分子机制。结果如下;(1)豌豆发芽期镉胁迫10 d的影响:CdCl2浓度依赖性地抑制了豌豆根茎的生长,且0.03和0.04 mM的CdCl2在胁迫10 d后完全抑制根茎的生长。不同浓度CdCl2处理的豌豆植株叶片中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量均显著低于对照植株(P<0.05)。各浓度CdCl2均提高胁迫植株叶片中抗氧化酶POD、CAT、APX的活性和可溶性蛋白含量,但降低SOD活性。实时定量PCR结果显示,不同浓度镉胁迫均下调叶绿素合成相关基因(GSA、ALAD、PPOX、CHLI、CHLD、CHLH、EF-TU、GUN4、CHLM、psCHL27、POR、DVR、CHLG),叶绿素降解相关基因(CLH、HCAR、NOL)和抗氧化酶相关基因(CuSOD、MnSOD、FeSOD、2cprx、GR)以及氧化还原蛋白基因(TRX-F、TRX-M1)的表达量,但均上调抗氧化酶(CAT、PRX、APX)的表达量。(2)豌豆幼苗期镉胁迫20 d的影响:CdCl2浓度依赖性地抑制了豌豆根茎的生长;随着CdCl2浓度的提高,叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量呈先升高再下降的趋势,0.01、0.02 mM CdCl2处理时高于对照;0.03、0.04 mM CdCl2处理时低于对照;叶绿素荧光参数中Fm、Fv/Fm、qP和ETR均不同程度的受到镉胁迫的抑制,呈浓度依耐性下降,F0与NPQ呈浓度依耐性上升;抗氧化酶POD和SOD活性整体随镉浓度升高而上升,而抗氧化酶CAT、APX的活性与可溶性蛋白含量整体呈下降趋势;实时定量PCR结果显示,不同浓度镉胁迫均下调叶绿素合成相关基因(HEMA、GSA、ALAD、CHLI、CHLD、CHLH、CHLM、EF-TU、CHLM、DVR、CHLG、psCAO)和抗氧化酶相关基因(CAT、GR、APX)及氧化还蛋白基因(TRX-F)的表达量。0.02mM CdCl2显著下调叶绿素降解相关基因(NOL、NYC1、HCAR、CLH、PPH、PAO1、NYE1、SGR)的表达量。(3)豌豆幼苗期镉胁迫40 d的影响:CdCl2浓度依赖性地抑制了豌豆根茎的生长,培养至40 d时大部分豌豆植株死亡;不同浓度镉胁迫均降低叶片中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量,0.02 mM CdCl2处理后,叶绿素b和叶绿素a+b含量变化幅度小;叶绿素荧光参数Fm、Fv/Fm、qP和ETR呈浓度依耐性下降,F0与NPQ则显著上升(P<0.05);豌豆叶片抗氧化酶活性POD活性随镉浓度升高而逐步上升,SOD、CAT和APX活性呈相反趋势,可溶性蛋白含量在0.01和0.02mM CdCl2处理时显著高于对照(P<0.05),0.03和0.04 mM CdCl2处理时显著低于对照(P<0.05);随着镉胁迫浓度升高,叶绿素合成相关基因(HEMA、GSA、ALAD、PPOX、CHLI、CHLD、CHLH、CHLM、EF-TU、GUN4、psCHL27、POR、DVR、CHLG、psCAO)及叶绿素降解相关基因(NYC1、CLH、PAO1)表达量整体下调,而叶绿素降解相关基因(NOL、PPH、ACD2、NYE1、SGR)及抗氧化酶相关基因(CuSOD、PGP)和氧化还原相关基因(TRX-M1)表达量上调;而抗氧化酶相关基因(MnSOD、FeSOD、CAT、2cprx、GR、PRX、APX)和氧化还原相关基因(TRX-F、TRX-M2)表达量整体下调。综上所述,不同浓度镉胁迫均会抑制豌豆植株的正常生长,但不同时期豌豆植株表现不同的生理响应,并通过不同机制进行调控。
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