构树响应氮供应水平变化的生理及分子机制研究

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构树(Broussonetia papyrifera)作为一种优良的高蛋白木本饲料被广泛地种植。氮素是构树生长发育所必需的营养元素,其浓度的变化不仅影响构树的生长发育和营养品质产生,还影响其氮素吸收利用效率。目前,关于构树在生理及分子层面如何响应氮素供应水平的变化却未被充分研究,这限制了我们准确理解氮素变化对构树生长发育影响的机制。因此,本文以杂交构树为研究材料,设置高氮(30 m M)、中氮(7.5 m M正常氮水平)、低氮(1.87m M)3个氮水平,探究氮过量(高氮)及氮缺乏(低氮)条件下构树在生理生化和蛋白修饰组学层面的响应。主要研究结果如下:(1)在生理层面,低氮水平导致丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)含量上升,叶绿素(Chl)、可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)含量下降,过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性升高,脱落酸(ABA)、生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA)含量升高,硝酸还原酶(RN)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸脱氢酶(GDH)和谷氨酸合成酶(GOGAT)酶活性升高;高氮水平导致丙二醛、脯氨酸含量上升,叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白含量升高,过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶活性升高,脱落酸、生长素、细胞分裂素、赤霉素含量升高,硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸脱氢酶和谷氨酸合成酶的活性升高。(2)在泛素化修饰蛋白组学层面,低氮水平导致大部分蛋白发生泛素化修饰,高氮水平导致少部分蛋白发生泛素化修饰,在差异倍数为1.5倍的泛素化修饰的蛋白中,一共鉴定到的蛋白有1376个,位点有2890个,在低氮水平和高氮水平下,发生泛素化修饰的蛋白分别占总泛素化修饰蛋白的78%、22%,位点占总泛素化位点的83%、17%。综上所述,我们的研究结果表明:(1)在生理层面:氮缺乏抑制了光合作用,使可溶性糖和可溶性蛋白的合成减少,而氮过量则促进光合作用,进而促进了可溶性糖和可溶性蛋白的合成积累。但无论是氮缺乏还是氮过量,细胞膜均受到了伤害,促使体内合成更多的脯氨酸来维持细胞内的渗透势,进而吸收到更多的氮素或者利用氮素尽可能地合成更多的含氮化合物。激素的变化共同调节构树的生长发育,增强与氮代谢相关酶的活性来使无机氮向有机氮的转化,进而调节构树的生长。(2)在泛素化修饰蛋白组学层面:泛素化修饰的蛋白在响应低氮和高氮水平中均发挥了重要的作用,但在低氮水平的响应更为强烈。在泛素化修饰位点周围的氨基酸基序中,发现14种序列特征:EKub、E**AKub、Kub E、AKub、E***Kub、Kub**E、Kub**D、GKub、Kub***A、Kub***E、A*****Kub、Kub**A、E**Kub、Kub G。还发现与胁迫应激相关、氨基酸代谢相关、光合作用和碳水化合物相关、激素相关、能量相关、泛素化相关的蛋白分别有8、1、17、17、5、8个,与氮代谢相关的蛋白有6个。这些泛素化修饰的蛋白上有1到11个不等的修饰位点。
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