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The Effects of High Temperature Stress on the Accumulation of Triterpenoid and the Activity of Defense Enzyme in the Suspension Cells of Birch

高温胁迫诱导对白桦悬浮细胞三萜积累及防御酶活性的影响



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2015, 31(9):111-118
收稿日期 :2014-12-24
基金项目 :国家基础科学人才培养基金项目(J1210053),国家自然科学基金项目(31070531)
作者简介 :常志凯,男,研究方向 :植物细胞工程 ;E-mail :1014381994@qq.com
通讯作者 :詹亚光,女,博士,教授,博士生导师,研究方向 :植物生物技术 ;E-mail :yaguangzhan@126.com
高温胁迫诱导对白桦悬浮细胞三萜积累及
防御酶活性的影响
常志凯1  白祎杰1  董恒1  尹静1  詹亚光1,2
(1. 东北林业大学生命科学学院,哈尔滨 150040 ;2. 东北林业大学 林木遗传育种与生物技术国家重点实验室,哈尔滨 150040)
摘 要 : 通过研究不同高温胁迫下白桦细胞的细胞活力,防御酶活性和总三萜含量的变化,确定诱导白桦细胞合成三萜的
最适高温胁迫条件。35℃、40℃、45℃、50℃和 55℃胁迫白桦细胞 1、2 和 4 h,测定其细胞活力,防御酶(SOD、CAT 和 PAL)
活性和总三萜含量。结果显示,45-55℃高温胁迫下,细胞活力显著下降,以 50℃ 2 h 处理下降最显著,是对照细胞活力的 6.8% ;
SOD 和 PAL 活性显著增加,以 55℃ 4 h 处理后 24 h 时 SOD 和 PAL 活性最高,分别较对照提高 164.9% 和 159.6% ;CAT 活性受到
抑制,以 55℃ 2 h 和 4 h 处理在 12 h 后取样最低。50℃处理 2 h 后 24 h 取样,细胞总三萜含量最高,浓度为 76.66 mg/g,比对照提
高 105.6%。最终确定 50℃胁迫 2 h 后 24 h 取样为利用高温胁迫诱导白桦悬浮细胞合成三萜类物质的最适温度胁迫条件。
关键词 : 白桦 ;防御酶 ;三萜 ;温度胁迫
DOI :10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.09.015
The Effects of High Temperature Stress on the Accumulation of
Triterpenoid and the Activity of Defense Enzyme in the Suspension
Cells of Birch
Chang Zhikai1 Bai Yijie1 Dong Heng1 Yin Jing1 Zhan Yaguang1,2
(1. College of Life Sciences,Northeast Forestry University,Harbin 150040 ;2. State Key Laboratory of Forest Tree Genetic Improvement and
Biotechnology,Northeast Forestry University,Harbin 150040)
Abstract: This work aims to study how the high temperature stress affects the cell vitality, the activity of defense enzyme and the
contents of total triterpenoid in the suspension culture cells of birch, and determine the optimal heat stress treatment by which birch cells can
be induced to synthesize triterpenoid. We set temperature of 35℃, 40℃, 45℃, 50℃ and 55℃ treating birch cells for 1, 2 and 4 h respectively,
then measured the cells’ vitalities, the activities of defense enzymes’(SOD, CAT and PAL), and the contents of total triterpenoid. Under the
treatments of 45-55℃, cell’s vitality reduced significantly, and at 50℃ for 2 h was only 6.8% of the control group ;meanwhile, the activities
of SOD and PAL increased significantly and reached the highest while treated at 55℃ for 4 h and measured at 24 h, i.e., they increased 164.9%
and 159.6% compared to the control group. However, the CAT activity was strongly inhibited, in lowest while treated at 55℃ for 2 h and 4 h and
measured at 12 h. When treated at 50℃ for 2 h and sampled at 24 h, the contents of total triterpenoid were the highest with 76.66 mg/g, increased
105.6% compared to the control. Finally, we determined that the condition of treatment at 50℃ for 2 h and measured after 24 h was the optimal
to induce the birch suspension cells to produce the triterpenoid.
Key words: birch ;defense enzyme ;triterpenoid ;temperature stress
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.9112
白 桦(Betula platyphylla Suk), 桦 木 科 桦 木 属
植物,落叶乔木,广泛分布于我国东北黑龙江省内,
具有重要的生态价值和工业价值。研究证明,从白
桦树皮中提取出的三萜类物质主要成分有白桦酯醇、
白桦酯酸及桦叶烯三醇、桦叶烯四醇等,在杀死癌
细胞、促进肿瘤细胞凋亡及调节人体免疫机能等方
面都具有良好作用[1]。
影响植物次生代谢的因素有许多,如温度、机
械损伤、紫外线和化学试剂等,其会对植物生长产
生各种胁迫,促进植物次生代谢产物的合成[2]。Zu
等[3]发现喜树幼苗在 38-40℃胁迫中 10- 羟基喜树
碱合成显著提高 ;李波等[4]研究不同条件对苜蓿
愈伤组织异黄酮含量的影响,结果表明,在 20℃、
25℃、30℃和 35℃的温度胁迫中,以 25℃和 30℃
下苜蓿愈伤组织中异黄酮积累最高,含量分别为
0.497% 和 0.570%。以上研究证明,适当的高温胁迫
可以显著诱导植物次生代谢产物的合成与积累。
环境胁迫(如高温)促进次生代谢产物积累过
程大致为,先激活细胞表面受体,引发信号转导通
路,然后调节细胞代谢途径,激活相关抗逆基因的
表达,最终引起次生代谢产物的积累[5]。目前发
现在植物受到高温胁迫时,多种信号分子如水杨酸
(SA)、钙离子(Ca2+)、脱落酸(ABA)、一氧化氮(NO)、
过氧化氢(H2O2),在体内含量显著增加
[6]。徐茂
军等[7]在高温处理金丝桃细胞诱导金丝桃素生物的
研究发现,40℃处理 10 min 可诱发金丝桃细胞中金
丝桃素的生物合成,并促进细胞产生 NO 和 H2O2,
表明在高温胁迫下通过信号分子 NO 和 H2O2 协同作
用,共同促进金丝桃素的合成。此外,高温胁迫还
会引起细胞内活性氧的积累过高,破坏细胞结构,
从而诱导相关关键防御酶启动,如超氧化物歧化酶
(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和苯丙氨酸解氨酶(PAL),
共同抵御因高温胁迫对细胞造成的伤害[8-11]。
关于利用温度胁迫诱导白桦细胞次生代谢产物
合成的相关研究报道不多,本课题组赵微等[12]已
发现 50℃ 1 h 处理白桦悬浮细胞 2 d 后白桦总三萜
合 成 较 对 照 提 高 了 36.4%, 防 御 酶(SOD、CAT、
PAL)活性也有不同程度增加。郝征等[13]用高温
胁迫对白桦幼苗生理生化指标影响的研究中发现,
37℃处理和 42℃处理可显著提高 SOD 活性和超氧阴
离子的积累,且 42℃较 37℃处理更为显著,表明适
度的高温胁迫能激活 SOD 活性。本研究在赵微等[12]
研究的基础上,进一步优化设计胁迫温度处理,通
过研究白桦细胞的细胞活力,防御酶(CAT、SOD、
PAL)活性和总三萜的含量变化,初步探索高温胁
迫与白桦茎段悬浮细胞次生代谢产物三萜的合成的
关系,期望获得最适的高温处理条件,以提高利用
白桦茎段悬浮细胞合成三萜类物质的产量,为白桦
悬浮细胞在生物反应器中的大规模培养及高效获得
白桦三萜提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 材料
以长势良好的白桦茎段悬浮细胞为材料。采
用 100 mL 的锥形瓶,每个锥形瓶中倒入 50 mL NT
液体培养基,加入 3 g 白桦悬浮细胞,摇床中悬浮
培养。
1.2 方法
1.2.1 培养条件 液体培养基 :NT 培养基并在每
升培养基中加入 0.1 mg/L 的 6-BA 100 μL,0.01 mg/L
的 TDZ 10 μL,蔗糖 20 g 和酸水解酪蛋白 2 g,最
后将 pH 值调至 6.5 左右。将配制好的 NT 培养基倒
入 100 mL 的锥形瓶中,每个锥形瓶倒入 50 mL NT
培养基,封口膜封好,在 121℃高压蒸汽锅灭菌 20
min。每瓶培养基接种 3 g 白桦悬浮细胞,在培养温
度为 24-26℃,光强为 2 000 lx,光照时间 24 h/d,
湿度为 40%-50%,摇床转速 116 r/min 的条件下培养。
1.2.2 高度胁迫处理 处理温度设置为 5 个水平 :
35℃、40℃、45℃、50℃和 55℃。处理时间设置为
3 个水平 :1、2 和 4 h,分别在处理后的 0、6、12、
24、48 和 72 h 取样。在定量分装好的白桦悬浮细胞
培养的第 7 天时进行温度处理,并每组重复 3 次。
在处理后各取样点时间(0、6、12、24、48 和 72 h)
收获细胞,每组细胞分为两份,一份测量其细胞活
力,防御酶(超氧化物歧化酶 SOD、过氧化氢酶
CAT、苯丙氨酸裂解酶 PAL)的活性,一部分放入
65℃烘箱烘干至恒重后,研磨成粉状,测量细胞总
三萜的含量。
1.2.3 测定方法
1.2.3.1 SOD、PAL 及 CAT 酶活性测定 采用李和
2015,31(9) 113常志凯等:高温胁迫诱导对白桦悬浮细胞三萜积累及防御酶活性的影响
生[14]的方法。
1.2.3.2 细胞活力采用 TTC 法测定 参考黄纯农[15]
的方法。
1.2.3.3 白桦总三萜测定 参考赵微等[12]的方法。
2 结果
2.1 高温胁迫对白桦细胞活力的影响
细胞活力是生长状态和受胁迫程度的指标。高
温胁迫下白桦细胞中细胞活力大小如图 1 所示,在
35-55℃ 5 个梯度、0-72 h 6 个取样时间点的处理条
件下,发现白桦细胞随取样时间延长和处理温度的
提高,白桦细胞的细胞活力呈逐渐降低趋势。40-
55℃处理 1、2 和 4 h 后 0-72 h 间细胞活力下降较
显著,其中 50℃处理 1 h、2 h 和 4 h 后 72 h 取样时
细胞活力下降最为显著,细胞活力值分别为 0.154、
0.10 和 0.003,是对照的 0.69 倍、0.05 倍和 0.01 倍,
比 50℃处理 1、2 和 4 h 后 0 h 取样时分别下降了
63.9%、85.6% 和 95.3% ;35℃处理 1、2 和 4 h 后在
0-48 h 间细胞活力下降不显著,在处理 72 h 后细胞
活力明显降低,其中 35℃处理 1、2 和 4 h 后细胞活
力值为 0.288、0.378 和 0.383,分别为对照的 1.29 倍、
1.70 倍和 1.72 倍,较 35℃处理 1、2 和 4 h 后 0 h 取
样分别下降了 82.2%、77.4% 和 77.0%(图 1)。40-
55℃胁迫下,细胞活力下降显著,初步推测此温度
胁迫下可能有利于诱导植物次生代谢转化增强。
2.2 高温胁迫对白桦细胞防御酶活力的影响
高温胁迫下,细胞 H2O2 含量上升会破坏膜稳
定 性,CAT 可 以 有 效 分 解 H2O2 从 而 降 低 H2O2 对
膜系统的损害,是植物抗逆性的重要指标。高温
胁迫下白桦细胞中 CAT 活性(图 2)显示,在 35-
55℃共 5 个梯度、0-72 h 共 6 个取样时间点的处理
条件下,发现白桦细胞 CAT 活性在 35℃和 40℃处
理 1、2 和 4 h 后 CAT 活性呈现先下降后增加,最
后逐渐降低的趋势。其中,在 0-24 h 取样 CAT 活
性较对照显著增加,以 35℃和 40℃处理 1 h 后在 6
h 取样,CAT 活性提升最为明显,分别较对照提高
338.9% 和 372.2% ;48 h 后 CAT 活性普遍低于对照,
以 40℃ 1 h 处理 72 h 后取样 CAT 活性最低,较对照
下降 54.2%(图 2-A)。45-55℃ 1、2 和 4 h 处理后
CAT 活性呈先降低后逐渐增加趋势,且显著低于对
照 ;在相同温度下随着处理时间的增加,CAT 活性
下降显著,以 55℃ 2 h 和 4 h 处理在 12 h 后取样最低,
CAT 活性为 0(图 2-B 和 2-C)。结果表明,35-40℃
胁迫后 CAT 变化趋势与对照基本一致,且在 0-24
h 内能显著诱导 CAT 活性增加 ;在 45-55℃胁迫下
CAT 活性则被显著抑制。
SOD 主要将超氧阴离子歧化后生成 H2O2,可有
效地清除因高温引起细胞内活性氧的积累。高温胁
迫后白桦细胞中 SOD 活性如图 3 所示,在 35-55℃
的 5 个梯度、0-72 h 的 6 个取样时间点的处理条件下,
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图 1 高温胁迫对细胞活力的影响
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.9114
发现白桦细胞 SOD 活性在 35℃处理 1、2 和 4 h 后
呈先增加后逐渐降低的趋势,且较对照无显著增加;
40-55℃处理 1、2 和 4 h 后均在 24-48 h 间达到峰
值,且较对照显著增加,以 55℃处理 1 h 和 2 h 后
24 h 取样时 SOD 活性最高,分别较对照提高 60.4%
和 140.3% ;50℃处理 1 h 和 45℃ 2 h 在 48 h 取样时
SOD 活性最高,分别较对照提高 357.7% 和 116.3%。
结果表明,35℃处理后 SOD 活性变化趋势与对照基
本一致,且 SOD 活性无显著提高 ;较高的温度胁迫
(40-55℃)后在 24-48 h 内可以显著诱导 SOD 活性
的提高。
PAL 是苯丙烷代谢途径关键酶和限速酶,此途
径可产生许多具有天然药物活性的次生代谢产物。
高温胁迫后白桦细胞中 PAL 活性(图 4)显示,在
35-55℃的 5 个梯度、0-72 h 的 6 个取样时间点的
处理条件下,发现 40-55℃处理 1、2 和 4 h 后白桦
细胞细胞 PAL 活性呈先下降后增加,最后逐渐降低
的趋势,以 50℃处理 1 h、2 h 与 55℃处理 4 h 在 24
h 取样时 PAL 活性最高,分别较对照提高 246.2%、
246.2% 和 259.6% ;35℃ 较 40-55 ℃ 处 理 下 PAL 活
性增加不显著,以 35℃处理 4 h 后 0 h 取样下活性
较对照提升最高,但仅提高 13.3%(图 4-C)。结果
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图 2 高温胁迫对 CAT 活性的影响
2015,31(9) 115常志凯等:高温胁迫诱导对白桦悬浮细胞三萜积累及防御酶活性的影响
表明,50℃和 55℃胁迫后 24 h 能显著诱导 PAL 活
性增加,而 35℃对 PAL 活性的提高无显著影响。
2.3 高温胁迫对白桦细胞总三萜含量的影响
白桦细胞中总三萜含量如图 5 所示,50℃和
55℃处理下白桦细胞的总三萜含量相比对照提高最
为显著,45℃处理次之,35-40℃的温度处理中,总
三萜含量较对照无显著增加。50℃处理 2 h、4 h 与
55℃处理 2 h 后的 24 h 取样时细胞总三萜含量较高,
含量分别为 76.66、68.63 和 73.24 mg/g,分别较对照
提高 105.6%、84.03% 和 96.4%(图 5-B 和 5-C)。
3 讨论
高温胁迫会对植物正常代谢产生一系列损伤,
主要会引起细胞膜系统的破坏,细胞膜流动性增大,
导致细胞液外渗,从而对细胞正常代谢产生不利影
响[16]。细胞活力是衡量植物细胞新陈代谢活力的重
要指标,本研究中在温度 35℃和对照(25℃)中,
细胞活力在 24 h 短暂上升,并随取样时间的延长,
呈逐渐降低趋势,这一点与刘华[17]在红豆杉细胞
活力与生长周期关系的研究结果基本一致 ;而本研
究中 40-55℃处理下白桦细胞活力均显著低于对照。
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图 3 高温胁迫对 SOD 活性的影响
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.9116
高温胁迫还会诱导细胞内活性氧含量增加,从
而 启 动 防 御 酶 SOD,CAT, 清 除 氧 自 由 基, 维 持
细胞内的活性氧平衡,抵御高温对细胞造成的损
伤[18-20]。本研究发现在 45-55℃ 1、2 和 4 h 处理后
CAT 活性先在 0-12 h 呈下降趋势,之后再呈缓慢上
升趋势,在 35-40℃胁迫下的 0-12 h,细胞 CAT 活
性显著高于对照 ;35-40℃胁迫下能诱导白桦细胞
CAT 活性不同程度的增加,而在 45-55℃胁迫下则
显著抑制 CAT 活性,且抑制程度随高温处理时间的
延长而增加,与李忠光等[21]对 CAT 活性研究结果
类似。在 40-55℃处理下白桦细胞 SOD 活性在 24-
48 h 均逐渐达到峰值,然后下降,且比对照显著增
加,而 35℃处理下,SOD 活性无显著提升,表明
在 40-55℃胁迫条件下 SOD 活性显著增加,与赵微
等[12]和马宝鹏等[22]对 SOD 酶活性的研究结果类似。
PAL 是合成许多具有天然药用活性成分次生代
谢产物的关键酶,其活性的增加也能提高植物细胞
对高温胁迫的适应性[23,24]。本研究在 50℃和 55℃
处理下 PAL 活性较对照提升最为显著,且此时白桦
细胞总三萜含量也较高,表明在 50℃和 55℃高温胁
迫诱导 PAL 活性增加,且 PAL 可能在白桦三萜合成
中起到关键作用。张长平等[25]在南方红豆杉细胞
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55ć 2 h
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50ć 4 h
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图 4 高温胁迫对 PAL 活性的影响
2015,31(9) 117常志凯等:高温胁迫诱导对白桦悬浮细胞三萜积累及防御酶活性的影响
悬浮培养过程中,加入真菌诱导子,从而引起 PAL
活性提高,萜类物质合成得到加强,紫杉醇的产量
得到显著提高,与本研究结果相似。
在赵微等[12]的研究中已发现在 50℃处理 1 h
能够显著诱导白桦悬浮细胞三萜类物质的合成与积
累,本研究在此基础上通过对高温胁迫条件的优化,
发现 50℃和 55℃处理 2 h 后 24 h 取样时白桦细胞
总三萜含量有较高积累 ;细胞活力显著下降 ;PAL
和 SOD 活性增加,可能在 50-55℃高温胁迫下,由
于温度过高对白桦细胞膜系统破坏加剧,且在细胞
内积累了大量活性氧,激活植物防御酶反应,引起
PAL 和 SOD 活性显著增加,CAT 活性可能由于 SOD
产物 H2O2 浓度过高而被抑制,对细胞正常的生长代
谢造成不利影响,促进细胞初生代谢向次生代谢转
换,从而诱导白桦悬浮细胞总三萜物质的合成与积
累显著增强。
4 结论
本研究最终确定 50℃胁迫 2 h 后 24 h 取样为利
用高温胁迫诱导白桦悬浮细胞合成三萜类物质的最
适温度胁迫条件,同时此温度胁迫下不同程度地刺
激了 CAT、SOD、PAL 活性变化及细胞活力大小,
表明在高温胁迫下,细胞内的防御酶协同作用,共
同抵御高温胁迫对白桦细胞造成的伤害,并诱导白
桦次生代谢产物三萜的合成。
参 考 文 献
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0
0
10
20
30
40
50ᙫй㩌ਜ਼䟿 mg·g-1 , DW 607080
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35ć 4h
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图 5 高温胁迫对总三萜含量的影响
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.9118
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(责任编辑 马鑫)