免费文献传递   相关文献

Effects of spermidine on proline metabolism, antioxidant enzyme activity and gene expression in white clover leaves under water stress

亚精胺对水分胁迫下白三叶脯氨酸代谢、抗氧化酶活性及其基因表达的影响



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫20150418 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
李州,彭燕.亚精胺对水分胁迫下白三叶脯氨酸代谢、抗氧化酶活性及其基因表达的影响.草业学报,2015,24(4):148156.
LiZ,PengY.Effectsofspermidineonprolinemetabolism,antioxidantenzymeactivityandgeneexpressioninwhitecloverleavesunderwaterstress.
ActaPrataculturaeSinica,2015,24(4):148156.
亚精胺对水分胁迫下白三叶脯氨酸代谢、
抗氧化酶活性及其基因表达的影响
李州,彭燕
(四川农业大学动物科技学院草业科学系,四川 雅安625014)
摘要:以广泛栽培的“拉丁诺”白三叶为供试材料,对其在不同水分胁迫处理下叶片相对含水量、活性氧成分、膜脂
过氧化产物、抗氧化酶活性、脯氨酸含量及其代谢酶活性等生理指标进行测定,并利用RT-PCR技术分析4种抗
氧化酶基因在不同胁迫条件下的表达特性,分析外源亚精胺缓减水分胁迫的效应。结果表明,水分胁迫下白三叶
叶片相对含水量逐步降低,活性氧和丙二醛含量不断升高,外源亚精胺能显著提高胁迫下叶片相对含水量,有效降
低活性氧和膜脂过氧化产物的积累;外源亚精胺使水分胁迫下白三叶抗氧化酶活性和基因表达量发生改变,提高
了水分胁迫下白三叶叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化酶
(APX)基因的表达从而提高抗氧化酶活性,缓解了水分胁迫造成的氧化胁迫伤害;外源亚精胺提高了脯氨酸合成
代谢关键酶Δ’吡咯啉5羧酸合成酶(P5CS)和分解代谢关键酶脯氨酸脱氢酶(ProDH)活性,促进了水分胁迫下脯
氨酸的代谢,但对脯氨酸合成代谢鸟氨酸途径中关键酶———鸟氨酸转氨酶(OAT)没有影响。外源亚精胺能有效提
高白三叶的抗水分胁迫能力,这与亚精胺诱导了胁迫下白三叶抗氧化酶基因表达,提高抗氧化酶活性和促进脯氨
酸的代谢从而减轻由水分胁迫造成的氧化伤害、稳定了细胞膜系统及提高渗透调节能力密切相关。
关键词:白三叶;亚精胺;水分胁迫;抗氧化酶;基因表达;脯氨酸  
犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊狆犲狉犿犻犱犻狀犲狅狀狆狉狅犾犻狀犲犿犲狋犪犫狅犾犻狊犿,犪狀狋犻狅狓犻犱犪狀狋犲狀狕狔犿犲犪犮狋犻狏犻狋狔犪狀犱犵犲狀犲
犲狓狆狉犲狊狊犻狅狀犻狀狑犺犻狋犲犮犾狅狏犲狉犾犲犪狏犲狊狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
LIZhou,PENGYan
犆狅犾犾犲犵犲狅犳犃狀犻犿犪犾犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔,犛犻犮犺狌犪狀犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犢犪’犪狀625014,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theeffectsofspermidine(Spd)onrelativewatercontent,reactiveoxygen,membranelipidpreoxi
dation,antioxidantenzymeactivityandprolinemetabolism werestudiedinwhiteclover(犜狉犻犳狅犾犻狌犿狉犲狆犲狀狊)
leaves,cultivar‘Ladino’.Theexpressionpatternsoffourdifferentantioxidantenzymegeneswereanalyzedu
singsemiquantitativeRT-PCRunderdifferentwaterstress.Underwaterstress,relativewatercontentgrad
ualydeclinedwhereasreactiveoxygenandmalondialdehyde(MDA)contentincreased.ExogenousSpdsignifi
cantlyimprovedrelativewatercontentandeffectivelyreducedtheaccumulationofreactiveoxygenandMDA.
ExogenousSpdchangedantioxidantactivitiesandgeneexpressionpatternunderdifferentwaterstressregimes
andincreasedexpressionofsuperoxidedismutase(SOD),catalase(CAT),peroxidase(POD)andascorbate
peroxidase(APX)genestoimproveantioxidantenzymeactivities,reducingwaterstressinjury.ExogenousSpd
第24卷 第4期
Vol.24,No.4
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年4月
April,2015
收稿日期:20140415;改回日期:20140509
基金项目:国家自然科学基金项目(NSFC31372371)和十二五农村领域国家科技计划课题(2011BAD17B03)资助。
作者简介:李州(1986),男,云南文山人,在读博士。Email:lizhou1986814@163.com
通讯作者Correspondingauthor.Email:pengyanlee@163.com
acceleratedprolinecatabolismandbiosynthesisfromtheglutamatepathwayduringwaterstressalthoughithad
noeffectontheornithinepathwayofprolinebiosynthesis.TheresultssuggestedthatexogenousSpdcaneffec
tivelyimprovewaterstresstoleranceofwhitecloverassociatedwiththeimprovingantioxidantenzymeactivi
ties,enhancingexpressionofgenesencodingantioxidantenzymesandacceleratingprolinemetabolism.
犓犲狔狑狅狉犱狊:whiteclover(犜狉犻犳狅犾犻狌犿狉犲狆犲狀狊);spermidine;waterstress;antioxidantenzyme;geneexpression;
proline
白三叶(犜狉犻犳狅犾犻狌犿狉犲狆犲狀狊)是一种世界性分布与栽培的多年生豆科饲草,由于具有蛋白质含量高、再生速度
快以及良好的固氮能力等特点,在改良天然草地和建植人工混播草地过程中发挥着巨大作用[12]。然而,白三叶
属浅根型作物,喜冷凉湿润气候,抗逆性较差,干旱是限制其发展和利用的主要逆境因素[3]。多胺(polyamine,
PAs)是一类广泛分布于生物体内具有生理活性的低分子量脂肪族含氮碱,在植物体内主要包括腐胺(putres
cine,Put)、亚精胺(spermidine,Spd)和精胺(spermine,Spm)等,众多研究表明,逆境胁迫下,多胺具有缓解氧
化压力、保护生物大分子结构并参与逆境胁迫信号传递的功能[46]。Kasukabe等[7]的研究发现,转亚精胺合成酶
基因的拟南芥(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪)植株体内亚精胺含量显著增加,并表现出了显著增强的耐旱性、耐冷性和
耐盐性等多种特性,并认为亚精胺在植物响应逆境胁迫过程中扮演着信号调节枢纽的作用。Sung等[8]研究表
明,外源亚精胺和精胺通过上调高盐胁迫下粗齿冷水花(犝犾狏犪犳犪狊犮犻犪狋犪)铁超氧化物歧化酶(FeSOD)基因的表达
以提高其抗氧化保护能力,从而缓解了高盐胁迫下机体氧化性损伤。这与2011年Aryadeep等[9]的研究相似,外
源亚精胺和精胺能有效提高盐胁迫下水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化氢酶(CAT)等抗
氧化酶活性,并诱导了盐胁迫下脯氨酸的积累。同时Jinn等[10]发现,水淹条件下外源亚精胺和精胺还能通过提
高抗氧化酶活性来帮助维持大葱(犃犾犾犻狌犿犳犻狊狋狌犾狅狊狌犿)体内活性氧平衡并防止膜脂过氧化带来的伤害。此外,逆
境胁迫下多胺还具有稳定细胞膜[11]、提高可溶性糖含量[12]、影响Ca2+和K+通道,调节气孔关闭等[13]作用。因
此,研究亚精胺诱导白三叶抗旱性机制不仅能为提高白三叶抗旱性提供理论基础和寻找新的途径,而且能进一步
了解亚精胺调控植物抗逆性的作用机理。
前人对于亚精胺诱导逆境胁迫下植物的耐受性主要集中在抗氧化酶活性的变化和有机渗透调节物质的积累
等方面,缺乏系统性和完整性,对于亚精胺调控不同水分胁迫强度下不同类型抗氧化酶基因的表达模式以及对于
脯氨酸代谢的影响鲜有报道,在白三叶上几乎处于空白。本研究通过添加外源亚精胺的方法,对不同水分胁迫强
度下白三叶叶片活性氧积累、抗氧化保护系统以及脯氨酸代谢进行研究,并通过RT-PCR技术研究不同处理和
胁迫强度下抗氧化酶基因的表达特异性和表达模式,旨在深入理解亚精胺参与调控植物逆境防御的生理和分子
机制,同时为丰富白三叶的抗逆栽培措施提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
本试验于2013年在四川农业大学草业工程试验室进行。以广泛种植的拉丁诺(Ladino)白三叶为供试材料,
采用沙培法进行培育。具体方法为:将白三叶种子用0.1%的高锰酸钾溶液消毒后,播种在装有石英砂的白色育
苗盘(长35cm,宽25cm,高10cm)中,24℃光照培养箱中进行发芽,待发芽7d后用 Hoagland全营养液继续培
养,温度为白天23℃,夜晚19℃,时长各为12h,相对湿度为70%,当幼苗长至30d(2片成熟叶片)时选取长势一
致的材料用20%(W/V)聚乙二醇6000(PEG6000)进行水分胁迫处理。
1.2 试验设计
本试验共设对照(CK)和外源亚精胺(CK+Spd)2个处理(每处理设4个重复)和3个水分胁迫强度,分别
为:1)正常水分:CK(Hoagland全营养液正常培养)和CK+Spd(Hoagland全营养液加入0.05mmol/L外源亚
精胺正常培养);2)轻度水分胁迫:CK(加20%PEG6000的Hoagland全营养液胁迫3d)和CK+Spd(在加20%
PEG6000的Hoagland全营养液中加入0.05mmol/L的亚精胺胁迫3d);3)重度水分胁迫:CK(加20%PEG
941第4期 李州 等:亚精胺对水分胁迫下白三叶脯氨酸代谢、抗氧化酶活性及其基因表达的影响
6000的Hoagland全营养液胁迫9d)和CK+Spd(在加20% PEG6000的 Hoagland全营养液中加入0.05
mmol/L的亚精胺胁迫9d)。为了保持各个处理溶液中药品浓度一致,从进行处理开始,每3d更换1次处理
液。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 相对含水量(relativewatercontent)  叶片相对含水量采用烘干法测定[14],剪取叶片0.3g,用普通吸
水纸将其包裹好,放入装满水的50mL离心管中,盖好盖子,放置于避光处静置24h叶片吸水饱和后,取出叶片,
擦干表面水分,称量饱和鲜重,然后置于鼓风烘箱中在105℃下杀青45min,然后75℃下烘至恒重,称其干重,重
复4次,取平均值。计算公式:相对含水量(%)=(鲜重-干重)/(饱和鲜重-干重)×100。
1.3.2 超氧阴离子产生速率(thegenerationofsuperoxideanion)和过氧化氢含量(H2O2content)  超氧阴离
子递减速率参照Elstner和 Heupel[15]的方法稍加改进测定,剪取叶片0.3g,用3mL50mmol/L磷酸缓冲液
(pH7.8)研磨,5000r/min,离心10min。取上清液1mL,加入pH7.8磷酸缓冲液0.9mL和10mmol/L盐酸
羟胺0.1mL,混合并25℃保温20min。加入1mL17mmol/L对氨基苯磺酸和1mL7mmol/Lα萘胺,25℃保
温20min,反应后的显色液加入3mL乙醚,充分摇匀,静置分层,吸取试管下层水相。530nm下测定吸光值,从
标准曲线查得NO2-浓度,计算O2-产生速率。H2O2 含量参照Uchida等[16]的方法稍加改动进行测定,称取新
鲜植物组织0.2g,按材料与提取剂1∶1的比例加入4℃下预冷的丙酮和少许石英砂研磨成匀浆后,转入离心管
3000r/min下离心10min,分层弃去残渣,上清液即为样品提取液。用移液枪吸取样品提取液1mL,加入5%硫
酸钛和浓氨水,待沉淀形成后3000r/min离心10min,弃去上清液。沉淀用丙酮反复洗涤3~5次,直到去除植
物色素。向洗涤后的沉淀中加入2mol/L硫酸5mL,待完全溶解后,415nm比色。
1.3.3 抗氧化酶活性(antioxidantenzymeactivity)和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量  粗酶液的提取,
称取植物鲜重0.4g放入研钵中,放入液氮(能够完全覆盖组织)研磨组织破碎后,待液氮完全挥发后加入2mL
预冷的磷酸缓冲液和0.1gPVP在冰上充分研磨,然后转入离心管中,再用2mL缓冲液充分清洗研钵,一并转
入离心管中。4℃下15000r/min离心20min,上清液即为粗酶提取液。将粗酶液分装入各管中进行 MDA和抗
氧化酶的活性测定。MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定[17];超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)活
性采用核黄素NBT法测定[18];过氧化氢酶(catalase,CAT)活性采用紫外吸收法测定[19];过氧化物酶活性(per
oxidase,POD)采用愈创木酚显色法[19];抗坏血酸过氧化物酶(ascorbateperoxidase,APX)采用紫外吸收法测
定[20]。
1.3.4 游离脯氨酸(freeproline)含量及其代谢酶活性  采用茚三酮比色法测定[21],取不同处理的剪碎混匀
叶片0.2g,分别置于大试管中,加入5mL3%磺基水杨酸溶液,管口加盖玻璃球,置于水浴中浸提10min。取出
试管待冷却至室温后,吸取上清液2mL,加2mL冰乙酸和3mL显色液,于沸水浴中加热40min,取出冷却后加
入5mL甲苯充分振荡,以萃取红色物质。静置待分层后吸取甲苯层在波长为520nm下比色,从标准曲线中查
出测定液中脯氨酸浓度。鸟氨酸转氨酶(ornithineaminotransferase,OAT)活性采用茚三酮法测定[22];Δ’吡咯
啉5羧酸合成酶(pyrroline5carboxylatesynthetase,P5CS)活性参照GarciaRios等[23]的方法;脯氨酸脱氢酶
(prolinedehydrogenase,ProDH)活性参照Sanchez等[24]的方法。
1.3.5 基因表达分析  白三叶叶片总RNA提取参照捷倍斯公司试剂盒(PlantRNAKit)说明书,提取的总
RNA参照美国BioRadLaboratories公司反转录试剂盒(iScriptTMcDNASynthesisKit)说明书进行反转录获
得cDNA第一链。以白三叶肌动蛋白基因(βActin)为内参,根据白三叶POD基因设计半定量引物。根据Gen
Bank中的已知的红三叶(犜狉犻犳狅犾犻狌犿狆狉犪狋犲狀狊犲)SOD基因、蚕豆(犞犻犮犻犪犳犪犫犪)CAT基因和蒺藜苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅
狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪)APX基因序列,GenBank编号分别为:AY434497.1、JQ043348.1、XM_003601995.1,使用近源物种
基因序列相似性的TBLASTX分析,在白三叶已有的表达序列标签(EST)中鉴定出了白三叶SOD、CAT、APX
基因序列片段,GenBank编号分别为:FY461274.1、FY464988.1和FY460674.1,他们与前面已知相应基因序列
的相似性分别达到94%,93%和95%,因而可用于设计引物(表1)。
051 草 业 学 报 第24卷
  以获得的cDNA第一链为模板进行PCR扩增。
βActin、SOD、CAT和POD基因反应程序为:94℃3
min;94℃ 30s,57℃ 30s,72℃ 1min,30个循环;
72℃5min。APX基因反应程序为:94℃3min;94℃
30s,62.5℃30s,72℃1min,30个循环;72℃5min。
1.4 统计分析
采用Excel2003进行绘图;SAS9.1软件进行方
差分析和显著性分析(犘<0.05);Quantityone进行
半定量分析。
2 结果与分析
2.1 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片相对含水量的
影响
植物叶片的相对含水量(RWC)可以直接反应植
物体在干旱环境下水分的亏缺程度。随着水分胁迫强
度的加大,白三叶叶片RWC呈明显的下降趋势。正
常水分和轻度胁迫下,外源亚精胺对白三叶叶片相对
含水量没有显著影响。重度胁迫下CK处理和CK+
Spd处理的RWC分别下降了57%和46%,此时CK
+Spd处理维持了显著较高的RWC(图1)。
表1 试验中所用到的引物
犜犪犫犾犲1 犃犾狆狉犻犿犲狉狊狌狊犲犱犻狀狋犺犻狊犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋
基因 Gene 引物序列(5′-3′)Primersequence
犆狌/犣狀SOD TCACCTTCCACTTTCAAACCTCTC
TGTTGGACCTTCGTCTTCTTGAGT
CAT GTCTTCTTTGTTCACGATGGGATG
GAAAGTGGGAGAAGAAGTCAAGGAT
POD TCTAGGGCAACGGTTAATTCATTC
GGTACGGATTTTCCCATTTCTTG
APX GCAGCATCAGTTGGCAAGACC
GGCAAACCTGAGACTAAATACACGA
βActin TTACAATGAATTGCGTGTTG
AGAGGACAGCCTGAATGG
图1 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片相对含水量的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊狆犲狉犿犻犱犻狀犲狅狀狉犲犾犪狋犻狏犲狑犪狋犲狉
犮狅狀狋犲狀狋狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
   不同字母表示在0.05水平上差异显著(犘<0.05)。下同。Different
lettersindicatesignificantdifferencesat犘<0.05level.Thesamebelow.
2.2 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片活性氧成分和
膜脂过氧化产物的影响
水分胁迫过程中,不同处理超氧阴离子产生速率、
H2O2 和 MDA含量反应一致,都随着水分胁迫强度
的加大不断增大,说明水分胁迫过程中活性氧和膜脂
过氧化产物不断积累,细胞氧化性损伤不断增大(图
2)。与正常水分相比较,轻度水分胁迫使CK处理的
超氧阴离子产生速率和 MDA含量显著上升,但并未对CK+Spd处理造成显著影响,而CK+Spd处理分别在轻
度水分胁迫和重度水分胁迫下维持了显著低的超氧阴离子产生速率和 MDA含量,说明外源亚精胺有效缓解了
水分胁迫下白三叶叶片膜脂过氧化程度(图2A,C)。如图2B所示,轻度水分胁迫和重度水分胁迫都使CK和
CK+Spd处理的H2O2 含量显著增高,但添加外源亚精胺处理显著降低了白三叶在轻度和重度胁迫强度下的
H2O2 水平,一定程度上缓解了水分胁迫带来的氧化伤害。
2.3 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片抗氧化酶活性的影响
轻度水分胁迫下CK+Spd处理的叶片SOD活性比正常水分条件下高出了2.7个百分点达到显著水平,而
CK处理几乎处于同一水平,且CK+Spd处理的SOD活性在轻度和重度胁迫下显著高于CK处理(图3A)。轻
度水分胁迫使CK和CK+Spd处理的CAT活性分别上升了65%和84%,二者之间存在显著差异,重度胁迫下
两处理的CAT活性又急剧下降,但CK+Spd处理下降幅度小于CK处理,维持了显著较高的CAT活性(图
3B)。外源亚精胺显著提高了正常水分和轻度胁迫条件下白三叶叶片POD活性,但此种效益在重度胁迫下并未
表现出来(图3C)。APX活性随着胁迫程度的增大而升高,重度胁迫下,CK和CK+Spd处理的APX活性分别
是正常水分条件下的1.6和1.8倍,此时CK+Spd处理的APX活性显著高于CK处理(图3D)。
2.4 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片抗氧化酶基因表达的影响
半定量RT-PCR结果显示,SOD基因的相对表达量随着胁迫强度的加大逐渐增强,与SOD活性变化相一
151第4期 李州 等:亚精胺对水分胁迫下白三叶脯氨酸代谢、抗氧化酶活性及其基因表达的影响
致,水分胁迫诱导了SOD基因的表达,而添加外源亚精胺能进一步提高SOD的表达量,在重度胁迫下,CK+Spd
处理维持了显著较高的SOD表达量(图4A)。正常水分和轻度水分胁迫下CK和CK+Spd处理的CAT基因稳
定表达无显著差异,但重度胁迫下CK处理的叶片CAT基因表达量显著降低,而CK+Spd处理的叶片CAT基
因仍具有显著较高的表达量(图4B)。
图2 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片活性氧成分和 犕犇犃的影响
犉犻犵.2 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊狆犲狉犿犻犱犻狀犲狅狀狋犺犲犵犲狀犲狉犪狋犻狅狀狉犪狋犲狅犳狊狌狆犲狉狅狓犻犱犲犪狀犻狅狀,犎2犗2犪狀犱犕犇犃犮狅狀狋犲狀狋狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
 
图3 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片抗氧化保护酶活性的影响
犉犻犵.3 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊狆犲狉犿犻犱犻狀犲狅狀狋犺犲犪犮狋犻狏犻狋犻犲狊狅犳犪狀狋犻狅狓犻犱犪狋犻狏犲犲狀狕狔犿犲狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊 
水分胁迫同时也诱导了POD基因的相对表达量,但添加外源亚精胺处理使正常水分和胁迫下白三叶叶片
POD表达量进一步提升(图4C)。轻度水分胁迫下,CK和CK+Spd处理的POD表达量显著增加,分别比正常
水分下上升了121%和135%,二者差异显著(图4C)。外源亚精胺对正常水分下白三叶APX基因的表达量影响
显著,大大激活了APX基因的表达,但轻度水分胁迫下有所下降。CK处理的APX基因表达在轻度胁迫下有所
上升,但未达到显著水平,重度胁迫下CK+Spd处理的 APX基因表达是CK处理的2.4倍,达到显著水平(图
4D)。
251 草 业 学 报 第24卷
图4 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片抗氧化酶基因表达的影响
犉犻犵.4 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊狆犲狉犿犻犱犻狀犲狅狀狋犺犲犵犲狀犲犲狓狆狉犲狊狊犻狅狀狅犳犪狀狋犻狅狓犻犱犪狋犻狏犲犲狀狕狔犿犲狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
W:正常水分 Welwatered;M:轻度水分胁迫 Mildwaterstress;H:重度水分胁迫 Heavywaterstress.
 
图5 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片脯氨酸含量及代谢酶活性的影响
犉犻犵.5 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊狆犲狉犿犻犱犻狀犲狅狀犳狉犲犲狆狉狅犾犻狀犲犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱犪犮狋犻狏犻狋犻犲狊狅犳犻狋狊犿犲狋犪犫狅犾犻犮犲狀狕狔犿犲狌狀犱犲狉狑犪狋犲狉狊狋狉犲狊狊
351第4期 李州 等:亚精胺对水分胁迫下白三叶脯氨酸代谢、抗氧化酶活性及其基因表达的影响
2.5 亚精胺对水分胁迫下白三叶叶片脯氨酸含量及其代谢酶活性的影响
游离氨基酸含量在响应水分胁迫的过程中急剧升高,重度胁迫下CK和CK+Spd处理的白三叶叶片游离
脯氨酸含量分别是胁迫前的29和34倍,此时两处理的游离氨基酸含量没有表现出显著差异,但CK+Spd处理
在轻度胁迫下积累了显著较高的游离脯氨酸(图5A)。
鸟氨酸转氨酶(OAT)和Δ’吡咯啉5羧酸合成酶(P5CS)是脯氨酸合成代谢两个不同途径的关键酶,OAT
活性随着水分胁迫强度的增加逐步升高,特定水分胁迫强度下CK和CK+Spd处理间均未表现出显著差异(图
5B)。而P5CS活性在CK处理中呈先下降后上升的趋势,CK+Spd处理的P5CS活性在正常水分和轻度胁迫下
变化不大,重度胁迫下快速上升,且活性在3种胁迫强度下均显著高于CK处理组(图5C)。这说明外源亚精胺
主要通过诱导P5CS活性从而促进脯氨酸在白三叶叶片内的积累。ProDH是脯氨酸分解代谢途径的关键酶,在
响应水分胁迫的过程中,两个处理的ProDH活性先升高后下降,轻度胁迫下有较大幅度的上升。轻度和重度水
分胁迫下,CK+Spd处理的ProDH活性均显著高于CK处理,说明外源亚精胺处理促进了白三叶叶片脯氨酸在
水分胁迫下的分解代谢(图5D)。
3 讨论
多胺参与逆境胁迫下植物抗氧化防御已被广泛报道,它的分子作用机制和信号作用也越来越受到人们的关
注。Wen等[25]和 He等[26]研究发现,过量表达亚精胺合酶的转基因梨(犘狔狉狌狊spp.)植株通过上调SOD和APX
等抗氧化酶活性,降低了胁迫下H2O2 含量和膜脂过氧化产物 MDA积累,有效缓减了盐胁迫和甘露醇导致的水
分胁迫。而转入反义亚精胺合酶基因的梨树体内亚精胺含量降低,盐胁迫和镉胁迫下抗氧化防御系统功能减弱,
MDA含量显著增加,膜脂过氧化程度加剧,植株耐受性减弱[27]。外源亚精胺亦能显著提高非生物胁迫下多种抗
氧化酶活性,增强植物抗氧化防御[28]。本研究中,外源亚精胺显著提高了水分胁迫下白三叶SOD、CAT、POD和
APX活性,使得细胞内超氧阴离子产生速率和H2O2 含量显著下降,MDA含量显著降低,细胞膜脂过氧化程度
减小,从而增强了水分胁迫下白三叶抗氧化胁迫能力。这与 Kubis[29]在研究外源亚精胺缓解水分胁迫下黄瓜
(犆狌犮狌犿犻狊狊犪狋犻狏狌狊)叶片氧化压力的研究相一致,他发现外源亚精胺能通过提高POD等多种抗氧化酶活性降低
胁迫下叶片超氧自由基和H2O2 含量,以达到缓解氧化压力的作用。
Kasukabe等[7]研究表明,多胺在提高植物逆境胁迫能力上扮演着双重作用,一是以胁迫保护化合物的方式
直接参与抵御环境胁迫,二是起到胁迫信号调节器的作用,能诱导DREB等胁迫响应转录因子及rd29A等胁迫
保护蛋白基因的表达。尸胺能诱导冰叶日中花(犕犲狊犲犿犫狉狔犪狀狋犺犲犿狌犿犮狉狔狊狋犪犾犾犻狌犿)中SOD基因的表达已被证
实[30],而烟草(犖犻犮狅狋犻犪狀犪狋犪犫犪犮狌犿)中POD基因的表达受精胺的影响[31]。其他已有报道也证实亚精胺和精胺均
能上调转录因子键合DNA活力并诱导多种基因的表达[3233]。本研究通过半定量RT-PCR技术分析亚精胺对
水分胁迫下4种抗氧化酶基因的影响,结果显示外源亚精胺不同程度地上调了正常水分和水分胁迫下白三叶叶
片中SOD、CAT、POD和AXP基因的表达水平,并使CAT基因的表达模式发生改变,使其在水分胁迫下始终保
持较高的稳定表达。这说明亚精胺通过调控多种抗氧化基因的表达从分子水平上参与了水分胁迫下白三叶抗氧
化防御系统。
积累可溶性糖、脯氨酸和甜菜碱等物质是植物响应水分亏缺最主要的方式之一,这些有机渗透调节物质对于
植物体应对水分胁迫十分重要[3436]。Cramer等[37],Szabados和Savoure[38]认为,脯氨酸在干旱防御上的作用不
仅仅是渗透调节,而在渗透保护功能上意义重大,它的积累和代谢可以维持干旱胁迫下细胞内结构和膜的稳定
性,同时具有清除超氧阴离子等自由基的作用。本研究结果显示,水分胁迫下游离脯氨酸在白三叶叶片内迅速积
累,且外源亚精胺提高了轻度水分胁迫下白三叶叶片游离脯氨酸含量,这也印证了Roychoudhury等[39]和Duan
等[28]的研究结果,即逆境胁迫下外源亚精胺能显著提高水稻等植物体内脯氨酸的含量,且抑制亚精胺合酶的表
达能显著抑制脯氨酸的积累。OAT和P5CS分别是合成脯氨酸鸟氨酸途径和谷氨酸途径中的限速和调节
酶[40],而ProDH则是脯氨酸分解途径的限速酶[41]。外源亚精胺同时显著提高了谷氨酸合成途径中P5CS活性
和分解途径中ProDH活性,但对OAT活性影响不明显,表明外源亚精胺主要通过调节谷氨酸途径促进脯氨酸
451 草 业 学 报 第24卷
在白三叶叶片内的积累,同时也通过提高ProDH活性促进水分胁迫下脯氨酸在白三叶叶片内的降解和利用。
综上所述,外源亚精胺通过上调水分胁迫下白三叶叶片抗氧化酶基因SOD、CAT、POD和APX表达,显著
提高了胁迫下抗氧化酶活性,有效缓解了水分胁迫导致的氧化性伤害,稳定了细胞膜结构;外源亚精胺还通过提
高谷氨酸合成途径关键酶P5CS活性和降解关键酶ProDH活性,促进了水分胁迫下脯氨酸的代谢,增强了胁迫
下白三叶渗透调节和消除氧胁迫的能力,提高了叶片相对含水量,在减轻水分胁迫对白三叶生理功能的影响中发
挥作用。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
[1] ZhuSS,ZongSG,LvY,犲狋犪犾.Thedistribution,characteristicsandutilizationprospectsofwildredcloverandwhitecloverinDaXinanling.
InnerMongoliaPrataculture,2003,15(1):2122.
[2] LiZ,PengY,SunXY.Physiologicalresponsesofwhitecloverbydifferentleaftypesassociatedwithantioxidativeenzymeprotectionandos
moticadjustmentunderdroughtstress.ActaPrataculturaeSinica,2013,22(2):257263.
[3] MercerCF,WatsonRN.Effectsofnematicidesandplantresistanceonwhitecloverperformanceandseasonalpopulationsofnematodespara
sitizingwhitecloveringrazedpasture.TheJournalofNematology,2007,39:298304.
[4] ZhouXM,ZhaoYC,ZhouPH.Relationshipbetweenchangeofpolyaminecontentsanddroughtresistanceinriceseedlingsunderwater
stress.JournalofHunanAgriculturalUniversity(NaturalSciences),2010,36(1):1721.
[5] HeL,NadaK,KasukabeY,犲狋犪犾.Enhancedsusceptibilityofphotosynthesistolowtemperaturephotoinhibitionduetointerruptionofchilin
ducedincreaseofsadenosylmethioninedecarboxylaseactivityinleavesofspinach(犛狆犻狀犪犮犻犪狅犾犲狉犪犮犲犪L.).PlantCelPhysiology,2002,43:196
206.
[6] LiJ,HuXH,GuoSR.Effectofexogenousspermidineonpolyaminecontentandantioxidantenzymeactivitiesinrootsofcucumberseedlings
underrootzonehypoxiastress.JournalofPlantEcology,2006,30(1):118123.
[7] KasukabeY,HeL,NadaK,犲狋犪犾.Overexpressionofspermidinesynthaseenhancestolerancetomultipleenvironmentalstressandupregulates
theexpressionofvariousstressregulatedgenesintransgenic犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪.Plant&CelPhysiology,2004,45:712722.
[8] SungMS,ChowTJ,LeeTM.Polyamineacclimationaleviateshypersalinityinducedoxidativestressinamarinegreenmacroalga,犝犾狏犪犳犪狊
犮犻犪狋犪,bymodulationofantioxidativeenzymegene.JournalofPhycology,2011,47(3):538547.
[9] AryadeepR,SupratimB,DibyenduNS.Ameliorationofsalinitystressbyexogenouslyappliedspermidineorspermineinthreevarietiesofin
dicaricedifferingintheirlevelofsalttolerance.JournalofPlantPhysiology,2011,168:317328.
[10] JinnCY,ChengWL,DeniseYTF,犲狋犪犾.Waterloggingtoleranceofwelshonion(犃犾犾犻狌犿犳犻狊狋狌犾狅狊狌犿L.)enhancedbyexogenousspermidine
andspermine.PlantPhysiologyandBiochemistry,2009,47:710716.
[11] SerafiniFracassiniD,DiSA,DelDS.Sperminedelaysleafsenescencein犔犪犮狋狌犮犪狊犪狋犻狏犪andpreventsthedecayofchloroplastphotosystems.
PlantPhysiologyandBiochemistry,2010,48:602611.
[12] SongW X,DuH Y,LiHP,犲狋犪犾.Effectsofspermidineonorganicosmoregulationsubstanceinleavesofmaizeseedlingunderosmotic
stress.ActaAgriculturaeBorelioccidentalisisSinica,2010,19(7):6670.
[13] VelardeBuendiaAM,ShabalaS,CvikrovaM,犲狋犪犾.Saltsensitiveandsalttolerantbarleyvarietiesdifferintheextentofpotentiationofthe
ROSinducedK+effluxbypolyamines.PlantPhysiologyandBiochemistry,2012,61:1823.
[14] BarrsHD,WeatherleyPE.Areexaminationoftherelativeturgiditytechniquesforestimatingwaterdeficitsinleaves.AustralianJournalof
BiologicalSciences,1962,15:413428.
[15] ElstnerEF,HeupelA.Inhibitionofnitriteformationfromhydroxylammoniumchloride:asimpleassayforsuperoxidedismutase.Analytical
Biochemistry,1976,70:616620.
[16] UchidaA,AndreTI,TakashiH.Effectsofhydrogenperoxideandnitricoxideonbothsaltandheatstresstoleranceinrice.PlantScience,
2002,163:515523.
[17] DhindsaRS,DhindsaPP,ThorpeTA.Leafsenescence:correlatedwithincreasedleavesofmembranepermeabilityandlipidperoxidation,
anddecreasedlevelsofsuperoxidedismutaseandcatalase.JournalofExperimentalBotany,1981,32:93101.
[18] GiannopolitiesCN,RiesSK.Superoxidedismutase:I.Occurrenceinhigherplants.PlantPhysiology,1977,59:309314.
[19] ChanceB,MaehlyAC.Assayofcatalaseandperoxidase.MethodsinEnzymology,1955,2:764775.
[20] NakanoY,AsadaK.Hydrogenperoxideisscavengedbyascorbatespecificperoxidaseinspinachchloroplasts.PlantCelPhysiology,1981,
22(5):867880.
[21] BatesS,WaldrenRP,TeareID.Rapiddeterminationofthefreeprolineinwaterstressstudies.PlantSoil,1973,39:205208.
[22] LuTS,MazelisM.LOrnithine:2oxoacidaminotransferasefromsquash(犆狌犮狌狉犫犻狋犪狆犲狆狅L.)cotyledons.PlantPhysiology,1975,55:502
506.
[23] GarciaRiosM,FujitaT,LaRosaPC.CloningofapolycistroniccDNAfromtomatoencodingγglutamylkinaseandγglutamylphosphatere
ductase.ProceedingsofNationalofAcademyofSciences,1997,94:82498254.
[24] SanchezE,LopezLefebreLR,GarciaPC,犲狋犪犾.Prolinemetabolisminresponsetohighestnitrogendosagesingreenbeanplants(犘犺犪狊犲狅犾狌狊
狏狌犾犵犪狉犻狊L.cv.Strike).JournalofPlantPhysiology,2001,158:593598.
551第4期 李州 等:亚精胺对水分胁迫下白三叶脯氨酸代谢、抗氧化酶活性及其基因表达的影响
[25] WenXP,BanY,InoueH,犲狋犪犾.AluminumtoleranceinaspermidinesynthaseoverexpressiongtransgenicEuropeanpeariscorrelatedwith
theenhancedlevelofspermidineviaaleviatingoxidativestatus.EnvironmentalandExperimentalBotany,2009,66:471478.
[26] HeLX,BanY,InoueH,犲狋犪犾.Enhancementofspermidinecontentandantioxidantcapacityintransgenticpearshootsoverexpressingapple
spermidinesynthaseinresponsetosalinityandhyperosmosis.Phytochemistry,2008,69:21332141.
[27] WenXP,BanY,InoueH,犲狋犪犾.Antisenseinhibitionofaspermidinesynthasegenehighlightstheroleofpolyaminesforstressaleviationin
pearshootssubjectedtosalinityandcadmium.EnvironmentalandExperimentalBotany,2011,72:157166.
[28] DuanJJ,LiJ,GuoS,犲狋犪犾.Exogenousspermidineaffectspolyaminemetabolisminsalinitystressed犆狌犮狌犿犻狊狊犪狋犻狏狌狊rootsandenhances
shorttermsalinitytolerance.JournalofPlantPhysiology,2008,165:16261635.
[29] KubisJ.Exogenousspermidinedfferentialyaltersactivitiesofsomescavengingsystemenzymes,H2O2andsuperoxideradicallevelsinwater
stressedcucumberleaves.JournalofPlantPhysiology,2008,165:397406.
[30] AronovaEE,ShevyakovaNI,SretsenkoLA,犲狋犪犾.Cadaverineinducedinductionofsuperoxidedismutasegeneexpressin犕犲狊犲犿犫狉狔犪狀狋犺犲
犿狌犿犮狉狔狊狋犪犾犾犻狌犿L..DokladyofBiologicalScience,2005,403:13.
[31] HiragaS,ItoH,YamakawaH,犲狋犪犾.AnHRinducedtobaccoperoxideasegeneisresponsivetospermine,butnottosalicylate,methyljas
monateandethaphon.MolecularPlantMicrobeInteractions,2000,13:210216.
[32] SudhaG,RavishankarGA.Involvementandinteractionofvarioussignalingcompoundsontheplantmetaboliceventsduringdefenserespon
ses,resistancetostressfactors,formationofsecondarymetabolitesandtheirmolecularaspects.PlantCelTissueOrganCult,2002,71:181
212.
[33] ChildsAC,MehtaDJ,GermerEW.Polyaminedependentgeneexpression.CelandMoecularlLifeScience,2003,60:13941406.
[34] MorganJM.Osmoregulationandwaterstressinhigherplants.AnnualReviewofPlantPhysio1ogy,1984,35:299319.
[35] ChongPF,SuSP,LiY,犲狋犪犾.PhysiologicalresponsestoPEGstressof犚犲犪狌犿狌狉犻犪狊狅狅狀犵狅狉犻犮犪seedlingsformdifferentgeographicalorigins.
ActaPrataculturaeSinica,2013,22(1):183192.
[36] LiCZ,ZuoLP,LiY,犲狋犪犾.Physiologicalresponsesinleavesof犚犲犪狌犿狌狉犻犪狊狅狅狀犵狅狉犻犮犪fromdifferentaltitudesunderosmoticstress.Acta
PrataculturaeSinica,2013,22(1):176182.
[37] CramerGR,ErgulA,GrimpletJ.Waterandsalinitystressingrapevines:earlyandlatechangesintranscriptandmetaboliteprofiles.Func
tionalandIntegrativeGenomics,2007,7:111134.
[38] SzabadosL,SavoureA.Proline:amultifunctionalaminoacid.TrendsinPlantScience,2009,15:8997.
[39] RoychoudhuryA,BasuS,SenguptaDN.Ameliorationofsalinitystressbyexogenouslyappliedspermidinneorspermineinthreevarietiesof
indicaricedifferingintheirlevelofsalttolerance.JournalofPlantPhysiology,2011,168:317328.
[40] KishorPBK,SangamS,AmruthaRN,犲狋犪犾.Regulationofprolinebiosynthesis,degradation,uptakeandtransportinhigherplants:itsim
plicationsinplantgrowthandabioticstresstolerance.CurrentScience,2005,88:424438.
[41] TrovatoM,MattioliR,CostantinoP.Multiplerolesofprolineinplantstresstoleranceanddevelopment.RendicontiLincei,2008,19:325
346.
参考文献:
[1] 朱树声,宗树国,吕炎,等.大兴安岭野生红三叶、白三叶草的分布、特性及利用前景.内蒙古草业,2003,15(1):2122.
[2] 李州,彭燕,苏星源.不同叶型白三叶抗氧化保护及渗透调节生理对干旱胁迫的响应.草业学报,2013,22(2):257263.
[4] 周小梅,赵运村,周朴华.水分胁迫下水稻幼苗多胺含量变化与抗旱性的关系.湖南农业大学学报(自然科学版),2010,36(1):1721.
[6] 李瞡,胡晓辉,郭世荣.外源亚精胺对根际低氧胁迫下黄瓜幼苗根系多胺含量和抗氧化酶活性的影响.植物生态学报,2006,30(1):118123.
[12] 宋维贤,杜红阳,刘怀攀,等.亚精胺对渗透胁迫下玉米幼苗生长和有机渗透调节物质的影响.西北农业学报,2010,19(7):6670.
[35] 种培芳,苏世平,李毅,等.不同地理种源红砂幼苗对PEG胁迫的生理响应.草业学报,2013,22(1):183192.
[36] 李朝周,左丽萍,李毅,等.两个海拔分布下红砂叶片对渗透胁迫的生理响应.草业学报,2013,22(1):176182.
651 草 业 学 报 第24卷