全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2016, 42(5): 734742 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)前期研究专项(2012CB722902), 国家自然科学基金项目(31371708, 31201279)和甘肃省
干旱生境作物学重点实验室开放基金项目(GSCS-2012-10)资助。
This study was supported by National Basic Research Program of China (973 Program, 2012CB722902), the National Natural Science Foun-
dation of China (31371708, 31201279), and Research Program Sponsored by Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop Science
(GSCS201210).
* 通讯作者(Corresponding authors): 方永丰, E-mail: fangyf@gsau.edu.cn; 胡晋, E-mail: jhu@zju.edu.cn
第一作者联系方式: 张同祯, E-mail: 294301204@qq.com **同等贡献(Contributed equally to this work)
Received(收稿日期): 2015-09-16; Accepted(接受日期): 2016-03-02; Published online(网络出版日期): 2016-03-11.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160311.1604.002.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2016.00734
多胺氧化酶(PAO)调控光诱导玉米中胚轴伸长的生理机制
张同祯 1,** 李永生 1,** 李 玥 2 姚海梅 1 赵 娟 1 王 婵 1
赵 阳 1 王汉宁 1 方永丰 1, * 胡 晋 3,*
1甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室 / 甘肃省干旱生境作物学重点实验室 / 甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州 730070; 2甘肃
省农业科学院作物研究所, 甘肃兰州 730070; 3浙江大学农业与生物技术学院, 浙江杭州 310058
摘 要: 以长中胚轴玉米自交系 PH4CV为材料, 在黑暗和光照两种处理条件下研究了玉米中胚轴长度与多胺氧化酶
(polyamine oxidase, PAO)活性、H2O2含量、过氧化物酶(peroxidase, POD)活性及木质素含量的关系。通过添加 5 mmol
L–1 PAO 抑制剂 2-羟乙基肼 (2-hydroxyethylhydrazine, 2-HEH)和 5 mmol L–1 H2O2 清除剂 N,N’-二甲基硫脲
(N,N’-Dimethylthiourea, DMTU)及组织化学染色, 研究了影响中胚轴伸长的 H2O2来源及其积累部位。采用实时荧光
定量 PCR(qRT-PCR)方法, 探究了光对 ZmPAO基因表达的影响。结果表明, 光照处理显著抑制了玉米中胚轴的伸长,
同时显著增加该部位的 PAO 活性、H2O2含量、POD 活性及木质素含量。相关性分析表明, 玉米中胚轴长度与 PAO
活性、H2O2含量和木质素含量呈极显著负相关, 与 POD活性呈显著负相关; PAO活性与 H2O2含量、POD活性和木
质素含量均呈正相关。外源 PAO 抑制剂和 H2O2清除剂处理试验, 玉米中胚轴表皮纵切面细胞长度显微观察及中胚
轴 H2O2组织化学染色表明, PAO氧化分解多胺(polyamines, PAs)产生的 H2O2参与了中胚轴细胞伸长的生理调控, 从
而抑制了中胚轴的伸长。表达分析表明, ZmPAO基因在黑暗环境下的表达量相对稳定, 光刺激 0.5 h后表达量迅速升
高, 3 h后达到最大值, 随后逐渐下降, 10 h后趋于稳定。本研究表明, PAO在接受光刺激后活性升高, 氧化分解 PAs
产生 H2O2, 从而诱导 POD氧化胞壁的单木质醇并聚合为木质素, 使细胞壁硬化, 造成细胞伸长受阻。研究结果为进
一步探讨 PAO活性调控光诱导玉米中胚轴伸长的生理机制和阐明玉米中胚轴对光逆境的响应机理提供了理论依据。
关键词: 玉米; 光照; 中胚轴伸长; 多胺氧化酶; 表达分析
Physiological Mechanism Regulating Light-induced Mesocotyl Elongation by
Polyamine Oxidase (PAO) in Maize
ZHANG Tong-Zhen1,**, LI Yong-Sheng1,**, LI Yue2, YAO Hai-Mei1, ZHAO Juan1, WANG Chan1, ZHAO
Yang1, WANG Han-Ning1, FANG Yong-Feng1,*, and HU Jin3,*
1 Gansu Key Laboratory of Crop Improvement and Germplasm Enhancement / Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop Science / Gansu
Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2 Institute of Crop Science, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China;
3 College of Agriculture & Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Abstract: In this study, maize inbred line PH4CV was cultured under in MS medium under both dark and light conditions to in-
vestigate the relationship of length of mesocotyl with activity of polyamine oxidase (PAO), activity of peroxidase (POD), contents
of H2O2 and lignin. In addition, after treated with 5 mmol L–1 2-hydroxyethylhydrazine (2-HEH) and 5 mmol L–1 N,
N’-Dimethylthiourea (DMTU), the origin and accumulation site of H2O2 in mesocotyl elongation were assessed by using histo-
chemical staining method and the effect of light on expression of ZmPAO gene was evaluated. The results indicated that the elon-
第 5期 张同祯等: 多胺氧化酶(PAO)调控光诱导玉米中胚轴伸长的生理机制 735


gation of mesocotyl was significantly inhibited while the contents of H2O2 and lignin and the activities of POD and PAO were
enhanced by light. Correlation analysis showed that the length of mesocotyl was negatively correlated with the PAO activity, H2O2
content, POD activity, and lignin content, and the PAO activity was positively correlated with the H2O2 content, the POD activity,
and the lignin content. The assay with 2-HEH and DMTU, the microgram of epidermal cells, and histochemical localization of
H2O2 revealed that H2O2 participated in mesocotyl elongation, in which PAO catalyzed polyamines (PAs) degradation to produce
H2O2 resulting in the inhibition of mesocotyl elongation. Results of qRT-PCR revealed that the expression level of ZmPAO was
relatively stable in dark and rose rapidly of 0.5 hour after exposing to light, with a maximum value after three hours of light
treatment, then declined gradually, and finally showed a steady level after ten hours. This study suggests that the activity of PAO
can be promoted by light treatment, and initiate the PAs-mediated induction of H2O2, resulting in the oxidation of lignin mono-
mers on cell wall by POD. The produced free radicals are then transformed into lignin in a polyforming process which marked the
cell wall hardened and cell elongation inhibited. This study may provide a theoretical basis for understanding the physiological
mechanism underlying the PAO-mediated mesocotyl elongation and gain insights into the response of maize mesocotyl to the light
stress.
Keywords: Maize; Light; Mesocotyl elongation; Polyamine oxidase; Expression analysis
玉米(Zea mays L.)种子出苗率与土壤水分、温度
及播种深度密切相关。Dungan[1]和 Hoshikawa[2]认为
玉米主要通过延伸中胚轴长度达到深播出苗的目的,
张磊等[3]认为中胚轴和胚芽鞘协同决定幼苗的出土
深度 , 其中中胚轴起主导作用 , 赵光武等 [4]报道了
深播出苗率与中胚轴长度具有显著的相关性且不同
品种的耐深播能力差异明显, 杜金友等[5]研究表明,
玉米中胚轴的伸长受到光照与激素等的影响。
Stuart 等[6]和 Cosgrove[7]研究表明, 中胚轴伸长
的实质是中胚轴细胞的延伸生长和分裂, 其中细胞
延伸生长起着决定作用。李莉等[8]也认为细胞长度
增加对中胚轴的伸长贡献更大, 细胞数目对中胚轴
伸长的促进作用仅发生在伸长生长的初期, 而细胞
伸长对中胚轴的促进作用贯穿于中胚轴伸长生长的
整个时期。有学者认为细胞伸长受膨压的驱动, 但
木质素作为细胞次生壁的重要组成部分, 决定了细
胞壁弹性的大小, 木质素含量升高会造成细胞壁松
弛度下降 , 抑制细胞的伸长生长 [9], 有研究认为这
一过程可以被某些酶或化学因素所介导[10]。在细胞
壁木质化过程中, H2O2的积累诱使过氧化物酶(POD)
氧化细胞壁的单木质醇为自由基并聚合为木质素 ,
导致细胞壁硬化从而阻碍了细胞的伸长生长[11]。在
此过程中, H2O2 可能的来源主要包括还原型烟酰胺
腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶[12]、POD[13]及
多胺氧化酶(PAO)[14]三种途径。
Yoda 等[14]研究发现, 质外体 H2O2 主要是通过
PAO 氧化降解多胺(polyamines, PAs)途径产生的。
PAO 主要分布在禾谷类单子叶植物中[15-16], 玉米中
的 PAO 最早是在细胞质外体被发现, 现已被通过生
物化学、细胞免疫等方法定位于玉米的木质部、木
薄壁细胞、内皮层、表皮层的初生和次生壁[17]。同
时, PAO 的核苷酸序列与氨基酸序列已被测定分析,
发现其 cDNA 全长 1737 bp, 具有一个开放阅读框,
编码 500个氨基酸残基[18-19]。Cervelli等[20]从玉米中
分离到 3 种编码 PAO 的基因, 发现它们极其保守,
有几乎相同的核苷酸序列, 由 8个外显子和 7个内含
子组成, 且具有高度的组织特异性。Federico 等[21]
研究发现豌豆在萌发后其茎基部木质化程度与 PAO
氧化降解 PAs产生 H2O2有关, Laurenzi等[22]发现玉
米中胚轴切段中 H2O2的产生可被 PAO 抑制剂 2-羟
乙基肼(2-hydroxyethylhydrazine, 2-HEH)强烈抑制。
Cona 等[23]认为光调控了玉米中胚轴表皮 PAO 活性,
玉米中胚轴受到光刺激后, 其表皮的 PAO 活性及其
mRNA水平均有所升高, 并且 PAO活性的增加与光
诱导的时间有紧密的联系。
玉米中胚轴伸长直接影响生产中种子出苗率及
幼苗对干旱缺水环境的耐受能力, 国内外关于玉米
中胚轴的研究大多都集中于光对中胚轴伸长的影响,
对光调控中胚轴伸长的作用机理研究较少。本研究
以前期筛选的长中胚轴玉米自交系 PH4CV 为研究
材料, 在黑暗和光照两种条件下研究了玉米中胚轴
长度与 PAO 活性、H2O2含量、POD 活性、木质素
含量之间的关系, 并通过实时定量荧光 PCR (qRT-
PCR)方法探究了玉米 ZmPAO 基因的时空表达模式,
以期为进一步探讨 PAO调控光诱导玉米中胚轴伸长
的生理机制及为阐明玉米中胚轴对光逆境的响应机
制提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
前期已筛选的长中胚轴玉米自交系 PH4CV, 由
甘肃农业大学农学院玉米遗传育种课题组提供。总
736 作 物 学 报 第 42卷

RNA提取试剂盒 RNA simple Total RNA Kit购自天
根生化科技北京有限公司; 第一链 cDNA 合成试剂
盒 Prime Script RT reagent Kit with gDNA Eraser及实
时荧光定量 PCR试剂盒 SYBR Premix Ex Taq II (Tli
RNaseH Plus)购自宝生物工程(大连)有限公司; 其他
药品均为国产分析纯。
1.2 材料培养
挑选整齐饱满的干净种子, 以 75%酒精溶液和
0.1%氯化汞水溶液消毒后用无菌水冲洗 3 次, 室温
浸种 6 h后于 25℃条件下培养 24 h。将萌动一致的
种子转接到 MS 培养基上, 置 25℃人工智能培养箱
(浙江托普仪器有限公司)中进行光暗处理(表 1)。第
1 组为对照组, 第 2 组为 5 mmol L–1 2-羟乙基肼
(2-HEH)处理组, 第 3组为 5 mmol L–1 N,N’-二甲基
硫脲(DMTU)处理组; 设 3次生物学重复。在处理 0、
0.5、1、3、6、10、24、48及 72 h后进行各试验组
形态及生理指标测定, 同时提取样品总 RNA用于半
定量及实时荧光定量 PCR分析。

表 1 材料培养方法
Table 1 Material culture methods
处理
Treatment
对照
Contrast
5 mmol L–1 2-羟乙基肼
5 mmol L–1 2-hydroxyethylhydrazine (HT)
5 mmol L–1 N,N’-二甲基硫脲
5 mmol L–1 N,N’-dimethylthiourea (DT)
黑暗 Dark (D) D-CK D-HT D-DT
光照 Light (L) L-CK L-HT L-DT
光照处理的白光强度为 500 μmol m–2 s–1。The white light intensity is 500 μmol m–2 s–1.

1.3 中胚轴形态指标和生理指标的测定及组织
显微观察
用毫米尺测量中胚轴长度, Sartorius BSA-224S
电子分析天平测量中胚轴的干鲜重, 以测定平均值
(n≥20)表示量值大小。参照汪天等[24]的方法测定多
胺氧化酶活性; 参照 Brennan 等[25]的方法测定 H2O2
含量; 参照 Orozco-Cardenas 等[26]的方法进行 H2O2
组织化学定位; 采用愈创木酚法[27]测定 POD 活性;
参照 Syros 等 [28]的方法测定木质素含量 ; 参照
Tanaka等[29]的方法以显微观察玉米中胚轴纵切面细
胞长度。
1.4 ZmPAO基因实时荧光定量 PCR分析
按照 RNA simple Total RNA Kit说明书进行实
时荧光定量分析, 提取玉米中胚轴总RNA, 用 1%琼
脂糖凝胶电泳检测总 RNA完整性, 紫外分光光度计
检测总 RNA的浓度和质量。根据GenBank中 ZmPAO
基因 (NM_001111636)和 β tubulin-2 基因 (NM_
001111956)序列, 分别设计特异性引物, ZmPAO基因
上游引物(ZmPAO-F)为 5′-AGTGTGGCAGGAGTTC
GAGAA-3′, 下游引物(ZmPAO-R)为 5′-ATGATCTCC
GCCTTGGTCTG-3′; β tubulin-2 基因上游引物 (β
tubulin-2-F)为 5′-TTCATGTGGTAGGTTCGTGCC-3′,
下游引物(β tubulin-2-R)为 5′-TGGCCGAAGACGAA
GTTGTC-3′。按反转录试剂盒说明书合成 cDNA 第
一链, 以 cDNA为模板, 按 SYBR Premix Ex Taq II
(Tli RNaseH Plus)说明书进行 qRT-PCR。反应体系含
SYBR Premix Ex Taq II (Tli RNaseH Plus)(2×)10 μL、
PCR Forward Primer 0.8 μL、PCR Reverse Primer 0.8
μL、ROX Reference Dye (50×) 0.4 μL、cDNA模板 2
μL、ddH2O 6 μL。反应程序为, 95℃预变性 31 s; 95
℃变性 5 s, 60℃退火 34 s, 72℃延伸 1 min, 40个循
环。根据扩增曲线确定每个基因的响应 Ct 值, 以 β
tubulin-2 为内参矫正 PCR 模板的拷贝数 , 采用
2–ΔΔCT 方法计算基因相对表达量, 同时进行半定量
RT-PCR, 设 3次生物学重复。
1.5 数据统计分析
采用 Microsoft Excel 2013 和 SPSS 19.0 统计
分析软件进行数据整理和最小显著差异性检验
(Duncan’s 新复极差法), 利用 Origin 8.5 软件绘制
图形。
2 结果与分析
2.1 PAO调控光诱导的玉米中胚轴伸长
2.1.1 光对玉米中胚轴长度及生物量积累的影响
光不仅是高等植物进行光合作用的能量来源 ,
也是调控植物生长发育重要的信号物质。由图 1 可
以看出 , 光照处理显著抑制了玉米中胚轴的伸长 ,
在处理 24、48和 72 h后, 中胚轴长度分别比对照减
小了 19.2%、60.6%和 66.5%, 且在 48 h后与对照的
差异达到极显著水平(P<0.01); 同时, 光照也抑制了
玉米中胚轴生物量的积累, 处理 72 h后中胚轴鲜重
(FW)和干重(DW)分别比对照减少了 60.8%和 45.5%,
差异均达到极显著水平(P<0.01), 说明光照处理抑
制了玉米中胚轴的伸长及生物量的积累。
第 5期 张同祯等: 多胺氧化酶(PAO)调控光诱导玉米中胚轴伸长的生理机制 737



图 1 光对玉米中胚轴长度及生物量积累的影响
Fig. 1 Effects of light on length and biomass accumulation of mesocotyl in maize
**表示在 0.01水平上差异显著; *表示在 0.05水平上差异显著。
** means significant difference at the 0.01 level; * means significant difference at the 0.05 level.

2.1.2 光对玉米中胚轴 PAO 活性的影响 光照
处理显著提高了玉米中胚轴中 PAO 的活性, 在处理
24、48和 72 h后 PAO活性分别升高了 27.7%、38.9%
和 16.9%, 而中胚轴长度累计缩短了 66.5% (图 2);
进一步发现施加 5 mmol L–1 2-HEH对黑暗与光照环
境下 PAO 活性均强烈抑制, 使光下中胚轴长度累计
增加了 155.9%, 但仍略小于黑暗环境中胚轴长度。
由此表明, 光照抑制玉米中胚轴伸长可能与 PAO 活
性的升高有关。L-HT处理 72 h后, PAO活性相比同
样处理 24 h及 48 h略有升高, 认为当施加的 2-HEH
被消耗后, 光可以继续激发 PAO 活性从而抑制中胚
轴伸长。
2.1.3 光对玉米中胚轴 H2O2 含量的影响 PAO
在 O2和 H2O 存在的情况下主要将 PAs 氧化降解为
吡咯啉、1-(3-氨丙基)2-吡咯啉和二氨丙烷, 同时产
生 H2O2[30]。为探究 H2O2是否与玉米中胚轴伸长有
关, 对不同处理下中胚轴 H2O2含量和长度进行了测
定分析(图 3), 发现光照处理后, 中胚轴H2O2含量分
别升高了 19.5%、39.2%和 53.9%, 中胚轴伸长被不
同程度的抑制, 累计缩短了 66.5%; 施加 5 mmol L–1
DMTU时, 黑暗和光照环境下中胚轴H2O2含量均有
所下降, 与对照差异极显著(P < 0.01); L-DH处理 72
h后, 中胚轴长度相比L-CK增长了 2.4倍。说明H2O2
含量的变化可能影响了中胚轴伸长的生理过程。
生物体内 H2O2 来源并不是唯一的, 质膜 H2O2
主要来源于还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
(NADPH)氧化酶 [ 1 2 ] , 细胞壁 H 2 O 2 主要来源于
POD[13], 而质外体 H2O2主要来源于 PAO[14]。分析施
加 5 mmol L–1 2-HEH和 5 mmol L–1 DMTU后, 中胚
轴 H2O2 水平及 PAO 活性的变化(图 4), 可以发现,
PAO活性被抑制后, H2O2含量极显著下降(P < 0.01),
清除中胚轴 H2O2 时, PAO 活性差异并不显著(P >

图 2 光对玉米中胚轴 PAO活性及长度的影响
Fig. 2 Effects of light on PAO activity and mesocotyl elongation in maize
D-CK: 黑暗对照; D-HT: 黑暗, 5 mmol L–1 2-羟乙基肼处理; L-CK: 光照对照; L-HT: 光照, 5 mmol L–1 2-羟乙基肼处理。
标以不同大写字母于处理间表示在 0.01水平上差异显著。
D-CK: dark contrast; D-HT: dark, 5 mmol L–1 2-hydroxyethylhydrazine; L-CK: light contrast; L-HT: light, 5 mmol L–1
2-hydroxyethylhydrazine. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.01 probability level among treatments.
738 作 物 学 报 第 42卷


图 3 光对玉米中胚轴 H2O2含量和长度的影响
Fig. 3 Effects of light on H2O2 content and mesocotyl elongation in maize
D-CK: 黑暗对照; D-DT: 黑暗, 5 mmol L–1 N,N’-二甲基硫脲处理; L-CK: 光照对照; L-DT: 光照, 5 mmol L–1 N,N’-二甲基硫脲处理。
标以不同大写字母于处理间表示在 0.01水平上差异显著。
D-CK: dark contrast; D-DT: dark, 5 mmol L–1 N,N’-Dimethylthiourea; L-CK: light contrast; L-DT: light, 5 mmol L–1 N,N’-Dimethylthiourea.
Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.01 probability level among treatments.

图 4 5 mmol L–1 2-HEH及 5 mmol L–1 DMTU对中胚轴 H2O2含量和 PAO活性的影响
Fig. 4 Effect of 5 mmol L–1 2-HEH and 5 mmol L–1 DMTU on H2O2 content and PAO activity in maize
D-CK: 黑暗对照; D-HT: 黑暗, 5 mmol L–1 2-羟乙基肼处理; L-CK: 光照对照; L-HT: 光照, 5 mmol L–1 2-羟乙基肼处理; D-DT: 黑暗,
5 mmol L–1 N,N’-二甲基硫脲处理; L-DT: 光照, 5 mmol L–1 N,N’-二甲基硫脲处理。标以不同大写字母于处理间在 0.01水平上差异显著。
D-CK: dark contrast; D-HT: dark, 5 mmol L–1 2-hydroxyethylhydrazine; L-CK: light contrast; L-HT: light, 5 mmol L–1
2-hydroxyethylhydrazine; D-DT: dark, 5 mmol L–1 N,N’-Dimethylthiourea; L-DT: light, 5 mmol L–1 N,N’-Dimethylthiourea. Bars super-
scripted by different letters are significantly different at the 0.01 probability level among treatments.

0.01)。说明是质外体 H2O2 影响了玉米中胚轴伸长,
其来源于 PAO氧化分解 PAs。
2.1.4 光对玉米中胚轴 POD 活性和木质素含量的影
响 有研究表明, 质外体 H2O2会促进 POD 氧化细
胞壁单木质醇为自由基, 从而使其聚合成木质素[31]。
对黑暗与光照处理下, 中胚轴 POD活性及木质素含量
测定(图 5)发现, 光照处理下玉米中胚轴中的 POD 活
性和木质素含量极显著升高(P < 0.01); 光照处理 72 h
后, POD 活性和木质素含量分别累计增加了 31.4%和
32.9%, 说明 POD活性和木质素含量在 PAO参与光抑
制中胚轴伸长的生理生化过程中发挥了作用。
2.1.5 中胚轴长度与 PAO 活性、POD 活性、H2O2
含量及木质素含量之间的相关性分析 由表 2 可
以看出, 中胚轴长度与 PAO活性、H2O2含量和木质
素含量均呈极显著负相关(P < 0.01), 与 POD活性呈
显著负相关(P < 0.05); PAO活性与 H2O2含量及木质
素含量也存在极显著正相关(P < 0.01), 与 POD活性
显著正相关性(P < 0.05); POD活性与 H2O2含量、木
质素含量达到显著正相关 (P < 0.05)。由此表明 ,
PAO、H2O2、POD 和木质素在玉米中胚轴伸长的生
理过程中存在着某种联系。
2.1.6 玉米中胚轴表皮细胞伸长和 H2O2 组织化学
定位 玉米中胚轴伸长被抑制, 是否是其细胞伸
长生长受到阻碍所致, 对不同处理下玉米中胚轴纵
切面显微观察(图 6-A-D), 发现细胞长度存在明显的
差异。黑暗处理(图 6-A)的细胞长度最大, 接近 100
μm; 光照处理(图 6-B)的细胞长度最小, 几乎所有细
胞长度均小于 50 μm; 光照情况下施加 5 mmol L–1
2-HEH和 5 mmol L–1 DMTU后(图 6-C, D), 细胞长
度均大于 50 μm但小于 100 μm。通过 H2O2组织化
第 5期 张同祯等: 多胺氧化酶(PAO)调控光诱导玉米中胚轴伸长的生理机制 739


学染色(图 6-E-H)发现, 中胚轴表皮 H2O2 的积累量
为 D-CK < L-DT < L-HT < L-CK。证明 H2O2的积累
促进了木质素的合成, 使细胞壁硬化, 阻碍了细胞
的伸长生长。

图 5 光对玉米中胚轴 POD活性和木质素含量的影响
Fig. 5 Effects of light on POD activity and lignin content in maize mesocotyl
**表示在 0.01水平上差异显著; *表示在 0.05水平上差异显著。
** means significant difference at the 0.01 level; * means significant difference at the 0.05 level.

表 2 中胚轴长度、PAO活性、H2O2含量、POD活性和木质素含量之间的相关系数
Table 2 Correlation coefficients among mesocotyl length, PAO activity, H2O2 content, POD activity, and lignin content

中胚轴长度
Mesocotyl length
PAO活性
PAO activity
H2O2含量
H2O2 content
POD活性
POD activity
木质素含量
Lignin content
中胚轴长度 Mesocotyl length 1
PAO活性 PAO activity −0.884** 1
H2O2含量 H2O2 content −0.815** 0.836** 1
POD活性 POD activity −0.597* 0.592* 0.581* 1
木质素含量 Lignin content −0.752** 0.744** 0.938** 0.600* 1
**表示在 0.01水平上显著相关; *表示在 0.05水平上显著相关。
** means significant correlation at the 0.01 level; * means significant correlation at the 0.05 level.

图 6 玉米中胚轴表皮细胞伸长和 H2O2组织化学染色
Fig. 6 Microgram of epidermal cells of mesocotyl and histochemical H2O2 localization in maize
A: D-CK处理的玉米中胚轴纵切面细胞长度; B: L-CK处理的玉米中胚轴纵切面细胞长度; C: L-HT处理的玉米中胚轴纵切面细胞长度;
D: L-DT处理的玉米中胚轴纵切面细胞长度; E: D-CK处理的 H2O2组织化学染色; F: L-CK处理的 H2O2组织化学染色; G: L-HT处理的
H2O2组织化学染色; H: L-DT处理的 H2O2组织化学染色。
A: Cell length in longitudinal section of maize mesocotyl in treatment of D-CK; B: Cell length in longitudinal section of maize mesocotyl in
treatment of L-CK; C: Cell length in longitudinal section of maize mesocotyl in treatment of L-HT; D: Cell length in longitudinal section of
maize mesocotyl in treatment of L-DT; E: D-CK, histochemical H2O2 localization; F: Histochemical H2O2 localization in treatment of L-CK;
G: Histochemical H2O2 localization in treatment of L-HT; H: Histochemical H2O2 localization in treatment of L-DT.
740 作 物 学 报 第 42卷

2.2 ZmPAO基因的表达模式分析
为证明 PAO 活性是受光照促进的 , 进行了
ZmPAO 基因的表达模式分析, 将提取的玉米中胚轴
总 RNA经电泳检测后反转录为 cDNA, 以设计的特
异性引物 ZmPAO F/R 和 β tubulin-2 F/R 进行
qRT-PCR及半定量 RT-PCR (图 7)。可以看出, 光照
处理下 ZmPAO基因的表达量显著高于黑暗处理(P <
0.05)。光刺激 0.5 h后, 表达量上升了 2.1倍, 3 h后
达到最大, 是黑暗处理的 2.5 倍, 之后逐渐下降, 10
h后逐渐趋于稳定。结果表明 ZmPAO基因的表达是
受光信号调控的, 光刺激后, 其表达量会迅速升高,
达到峰值后会随即缓慢下降并趋于稳定状态。
2.3 PAO 活性调控光诱导玉米中胚轴伸长的生
理机制
根据以上试验结果, 我们推测 PAO 活性调控光
诱导玉米中胚轴伸长的生理机制可能为, PAO 在接
受光刺激后活性升高, 氧化分解 PAs 产生 H2O2, 从
而促进 POD氧化单木质醇为自由基进而聚合为木质
素 , 使细胞壁硬化 , 细胞伸长受阻 , 最终导致中胚
轴伸长生长被抑制(图 8)。

图 7 ZmPAO基因的表达模式分析
Fig. 7 Expression pattern of ZmPAO
标以不同大写字母于处理间表示在 0.05水平上差异显著。
Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level among treatments.


图 8 PAO参与光诱导的中胚轴伸长可能的生理机制
Fig. 8 Possible physiological mechanism of regulating
light- induced mesocotyl elongation in maize by
polyamine oxidase
3 讨论
光是植物生长发育过程中重要的信号分子与能
量物质, 在植物形态结构、生理生化反应和生长发
育等方面起重要作用[32], 不适时的光刺激会造成植
物生长逆境, 改变植物光合作用、同化物质运输和
形态建成等生理生化过程, 影响植物正常的生长发
育[33]。本研究发现, 对萌发后的玉米种子进行光照
处理, 中胚轴长度、鲜重和干重的积累均被显著抑
制, 中胚轴 PAO活性、H2O2含量、POD活性和木质
素含量有不同程度的升高, 这与苏国兴[34]研究大豆
下胚轴伸长的结果基本一致。PAO 活性被抑制后,
H2O2 含量随之降低, 从而解除了光对中胚轴伸长的
抑制作用; 而清除 H2O2处理后, PAO 活性并无明显
变化 , 但显著缓解了光对中胚轴伸长的抑制作用 ,
由此表明, PAO通过氧化分解 PAs产生 H2O2调控了
中胚轴的伸长。2-HEH和 DMTU处理后, H2O2不能
被完全清除, 说明还有其他代谢途径产生了 H2O2,
这与 Hohl等[35]的研究结果相一致。
第 5期 张同祯等: 多胺氧化酶(PAO)调控光诱导玉米中胚轴伸长的生理机制 741


玉米中胚轴纵切面细胞显微观察和 H2O2 组织
化学染色表明, H2O2 调控的细胞壁硬化、细胞伸长
受阻在这一调控机制中发挥了作用, 这与 Zhao等[36]
报道的中胚轴伸长与细胞伸长生长有关是一致的 ,
但他认为, 细胞伸长生长的调控主要是由中胚轴内
源赤霉素(gibberellin, GA3)含量变化引起的, 这与本
研究结果中细胞伸长受阻可能是由于细胞木质化程
度升高所引起的不完全一致。ZmPAO基因 qRT-PCR
分析表明, 玉米中胚轴表皮细胞 ZmPAO基因的表达
受光信号调控, 光刺激后, 其表达量出现迅速升高
而后平缓下降到趋于稳定的状态, 且光处理下其活
性均高于黑暗处理, 这与 Laurenzi 等[22]的研究结果
和 ZmPAO 基因表达是由依赖光敏素的转录激发子在
光响应元件上的作用所介导的[23]研究结果相类似。
玉米幼苗出土后, 芽鞘首先感知到光信号, 调
控中胚轴的伸长, 可能存在从芽鞘到中胚轴的某种
信号转导或物质转运过程。杜金友等[5]认为光和内
源激素影响了玉米中胚轴的伸长, Cona等[23]研究表
明, 玉米中胚轴中 PAO 活性在受光调控的同时, 还
受到吲哚乙酸 (indoleacetic acid, IAA)和萘乙酸
(naphthylacetic acid, NAA)的调控, 其基因表达受光
和激素共同调控。本研究表明玉米中胚轴伸长与光
诱导的 PAO 活性有关, 当芽鞘接受到光刺激后, 芽
鞘合成的 IAA向下垂直运输, 提高了中胚轴中 PAO
的活性, 氧化分解 PAs产生的 H2O2在薄壁质外体上
驱动了 POD催化的薄壁单木质醇多聚体酚类残基的
氧化交联和木质化的形成 [31,37], 从而完成细胞壁的
硬化, 抑制了细胞的伸长[35,38]。有研究发现, PAO蛋
白通过非共价的方式结合了黄素腺嘌呤二核苷酸
(flavin adenine dinucleotide, FAD) [19,39], 这表明 PAO
有可能是直接接受光刺激而非通过其他物质运输或
信号转导的方式完成了其活性升高的生理生化过
程。玉米中胚轴伸长的生理机制是光暗影响的多个
生理生化过程共同影响的形态建成过程, 是否还存
在其他调控 PAO 活性参与中胚轴伸长的生理机制,
有待进一步研究。
4 结论
明确了光诱导的 PAO 活性升高是导致玉米中胚
轴伸长受到抑制的主要原因, ZmPAO 基因的表达受
光的诱导。PAO调控光诱导玉米中胚轴伸长可能的生
理机制为光促进 PAO 活性增强, 氧化分解 PAs 造成
H2O2积累, 从而诱使 POD 氧化细胞壁单木质醇为自
由基, 进一步聚合为木质素使细胞壁硬化, 细胞伸长
受到抑制。研究结果为进一步探讨该生理机制和阐明
玉米中胚轴对光逆境的响应机理提供了理论依据。
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