紫花苜蓿在碱胁迫下氨基酸及其衍生物含量的变化

随着土壤盐碱化面积的增加,盐碱胁迫已经成为制约农业发展的重要因素,因为高p H值的因素碱性盐对植物造成的损伤比中性盐更为严重。紫花苜蓿(Medicago Sativa L.)作为豆科植物,可以与根瘤菌互作产生根瘤,进行生物固氮。为了阐明共生固氮提高紫花苜蓿耐碱性的代谢物质基础,本研究利用GC-TOF-MS技术研究了紫花苜蓿碱胁迫下氨基酸含量的变化,以紫花苜蓿龙牧806根部为实验材料,使用200 mmol/L NaHCO_3处理正常型植株(non-nodulized,NI)与接种根瘤菌型植株(rhizobium-nodulized,RI),对丝氨酸、天冬氨酸等23种氨基酸及其衍生物在根中的含量进行测定。数据显示,在未胁迫处理时RI植株中氨基酸及其衍生物的含量大部分都要高于NI,使RI比NI拥有更强的耐碱能力,其在抵抗逆境时拥有更强的抵抗力。所测得的氨基酸及其衍生物被映射到KEGG中,这些物质被富集到生物学通路中。我们的研究表明,RI通过与NI不同的代谢物配置来提高其抗逆能力,本研究也为根瘤共生和耐碱性之间的关系提供了新的信息和重要的理论依据。     

从光合作用和有机酸积累角度探索转GsPPCK1和GsPPCK3基因苜蓿耐碱性增强的生理机制

光合作用影响着植物的生长发育及产量,并在盐碱胁迫响应中起到积极作用。前期研究将光合途径中野生大豆来源的GsPPCK1和GsPPCK3基因转入苜蓿,所获得转基因苜蓿耐碱性提高。从光合作用和有机酸积累角度探索转GsPPCK1和GsPPCK3基因苜蓿耐碱性增强的生理机制。结果表明,碱胁迫9d后,叶绿素的相对含量下降,转基因株系P1-5、P3-8与未处理相比变化并不显著,分别下降了11.27%、13.30%,而非转基因株系的叶绿素含量下降了39.11%。转基因株系P1-5、P3-8光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)及胞间CO2浓度(Ci)在胁迫处理后也有下降趋势,但下降的幅度仅为非转基因植株下降幅度的1/2。光合途径中NADP-苹果酸脱氢酶、NADP-苹果酸酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、丙酮酸正磷酸二激酶、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶等关键酶的酶活及有机酸(苹果酸、柠檬酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸)含量在碱胁迫处理后均呈上升趋势,而转基因株系P1-5、P3-8的光合酶活和4种有机酸含量与非转基因对照相比上升极显著(P0.01)。PEPC(Medtr4g079860.1)、NADP-ME(Medtr8g014390.1)、NADP-MDH(Medtr1g043040.1)、PPDK(Medtr4g118350.1)及Rubisco(Medtr4g021210.1)基因的表达呈先上升后下降趋势,转基因株系中基因的表达变化较非转基因对照更为显著(P0.01)。由此表明,在正常情况下,GsPPCK1和GsPPCK3基因的超量表达并未影响植物的光合作用,但是在碱胁迫下,转基因苜蓿的光合作用受碱胁迫的抑制较小,这一过程可能与PEPC酶的激活有关。另外,光合中间产物有机酸含量的显著上升对维持细胞内pH值的稳定也起到重要作用。     

从光合作用和有机酸积累角度探索转GsPPCK1和GsPPCK3基因苜蓿耐碱性增强的生理机制

光合作用影响着植物的生长发育及产量,并在盐碱胁迫响应中起到积极作用。前期研究将光合途径中野生大豆来源的GsPPCK1和GsPPCK3基因转入苜蓿,所获得转基因苜蓿耐碱性提高。从光合作用和有机酸积累角度探索转GsPPCK1和GsPPCK3基因苜蓿耐碱性增强的生理机制。结果表明,碱胁迫9 d后,叶绿素的相对含量下降,转基因株系P1-5、P3-8与未处理相比变化并不显著,分别下降了11.27%、13.30%,而非转基因株系的叶绿素含量下降了39.11%。转基因株系P1-5、P3-8光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)及胞间CO₂浓度(C_i)在胁迫处理后也有下降趋势,但下降的幅度仅为非转基因植株下降幅度的1/2。光合途径中NADP-苹果酸脱氢酶、NADP-苹果酸酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、丙酮酸正磷酸二激酶、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶等关键酶的酶活及有机酸(苹果酸、柠檬酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸)含量在碱胁迫处理后均呈上升趋势,而转基因株系P1-5、P3-8 的光合酶活和4种有机酸含量与非转基因对照相比上升极显著(P<0.01)。PEPC(Medtr4g079860.1)、NADP-ME(Medtr8g014390.1)、NADP-MDH(Medtr1g043040.1)、PPDK(Medtr4g118350.1)及Rubisco(Medtr4g 021210.1)基因的表达呈先上升后下降趋势,转基因株系中基因的表达变化较非转基因对照更为显著(P<0.01)。由此表明,在正常情况下,GsPPCK1和GsPPCK3基因的超量表达并未影响植物的光合作用,但是在碱胁迫下,转基因苜蓿的光合作用受碱胁迫的抑制较小,这一过程可能与PEPC酶的激活有关。另外,光合中间产物有机酸含量的显著上升对维持细胞内pH值的稳定也起到重要作用。     

混合接种摩西球囊霉和根瘤菌对紫花苜蓿耐碱能力的影响

紫花苜蓿是多年生优质豆科牧草,对改善生态环境和农牧作物结构调整有重要作用。然而,土地盐碱化严重影响苜蓿正常的生长发育。丛枝菌根真菌(AMF)和根瘤菌是土壤中较为常见的共生菌,可与紫花苜蓿等豆科植物共生,并能与苜蓿形成AMF-苜蓿-根瘤菌共生系统。本研究利用摩西球囊霉菌和中华根瘤菌单接种、混合接种紫花苜蓿,比较单接种和混接种对其耐碱能力的影响。结果表明:在正常情况下,单接种和混合接种与未接种(NI)相比生长量均有所提高,主要表现在叶绿素含量更高,植株的根长、株高相对较大,分枝数较多,生长更加茂密。碱胁迫处理后,各组植株生长均受到不同程度的抑制,而混合接菌组则表现出更高的耐碱性,与NI组相比,主要表现在有较低的MDA含量和相对电导率,有较高的细胞相对含水量, 并且表现出较高的抗氧化酶的活性(SOD、POD、CAT)。综合以上指标分析,单接种和混合接种均能提高植株的渗透调节能力和抗氧化能力,降低细胞膜的损伤,但混合接种的效果更佳。     

丛枝菌根真菌对碱胁迫下紫花苜蓿耐碱性的影响

以紫花苜蓿(Medicago sativa)龙牧806为材料,采用盆栽试验,测定接种摩西球囊霉(Glomus mosseae)后紫花苜蓿生长情况。利用碱胁迫处理5、8 d相对含水量、相对电导率、叶绿素含量、丙二醛(MDA)、抗氧化酶活性、脯氨酸和可溶性糖含量等指标,分析接种丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)对提高苜蓿耐碱性的作用。结果表明,正常情况下,接种摩西球囊霉菌苜蓿株高、根长及分支数均高于对照组,叶绿素含量、根中MDA含量,SOD、POD和CAT酶活、脯氨酸含量、可溶性糖含量均高于对照组;碱胁迫后,接种摩西球囊霉可提高紫花苜蓿根和叶中抗氧化酶(POD、SOD和CAT)活性、渗透调节物质(可溶性糖和脯氨酸)含量,降低丙二醛(MDA)含量和细胞膜透性。丛枝菌根真菌摩西球囊霉通过增强紫花苜蓿抗氧化能力,降低碱胁迫对苜蓿造成的损伤,并通过渗透调节能力提高接种苜蓿耐碱性。研究为紫花苜蓿盐碱地种植提供理论依据。