不同光強(qiáng)下大豆質(zhì)體末端氧化酶及功能相關(guān)基因表達(dá)的研究.pdf

1、近年來，玉米-大豆帶狀復(fù)合種植得到了大力發(fā)展，已成為振興我國(guó)大豆產(chǎn)業(yè)的有效途徑。但在南方玉米-大豆帶狀套作模式中，高位作物玉米對(duì)低位作物大豆的遮蔭及玉米收獲后光照的明顯增強(qiáng)影響了大豆的光合能力，是限制產(chǎn)量的重要因素。因此，深入了解大豆在不同光強(qiáng)下的光合特性，穩(wěn)定并提高大豆在復(fù)合種植模式中的光合能力，對(duì)于進(jìn)一步發(fā)展玉米-大豆帶狀復(fù)合種植具有重要意義。本研究選擇南豆12和南032-4兩個(gè)產(chǎn)量與耐蔭性均不相同的大豆品種為試驗(yàn)材料，在人工氣候室

2、內(nèi)的低光強(qiáng)、中等光強(qiáng)及高光強(qiáng)三種不同的光強(qiáng)條件下和田間玉米-大豆套作、大豆單作兩種種植模式下，分別檢測(cè)了光照強(qiáng)度對(duì)大豆葉綠體呼吸末端氧化酶(PTOX)及其功能相關(guān)基因（PGR5、NDH-H、PDS、ZDS、RbcS、AOX1、AOX2a、AOX2b）表達(dá)水平變化的影響。質(zhì)子梯度調(diào)節(jié)蛋白(PGR5)和NAD(P)H脫氫酶(NDH)復(fù)合體分別介導(dǎo)了環(huán)式電子傳遞的兩條途徑，八氫番茄紅素去飽和酶(PDS)和ξ-胡蘿卜素去飽和酶(ZDS)是類胡蘿

3、卜素合成的兩個(gè)重要酶，RbcS是光合碳同化中1，5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)由核基因編碼的小亞基，AOX1、AOX2a和AOX2b則是與PTOX高度同源的交替末端氧化酶(AOX)在大豆中的三種類型。同時(shí)，分別測(cè)定了兩個(gè)品種的大豆在不同光強(qiáng)下的光合指標(biāo)、熒光參數(shù)、光合色素水平以及超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸酶(APX)和蘋果酸脫氫酶(NAD-MDH和NADP-MDH)的酶活。主要研究結(jié)果如下:
　　1.在室內(nèi)不同光

4、照強(qiáng)度條件下，兩大豆品種中PTOX、 PGR5、PDS、ZDS、AOX1和AOX2a的基因表達(dá)水平均受到光照的誘導(dǎo)，并隨著光照強(qiáng)度的增加而升高，其中PTOX、 PGR5、PDS和ZDS在南豆12中的表達(dá)上調(diào)水平均不同程度高于南032-4中，而AOX1和AOX2a在南豆12中的表達(dá)上調(diào)水平均不同程度低于南032-4;但是，兩大豆品種中NDH-H、RbcS和AOX2b基因的表達(dá)水平在不同光照強(qiáng)度下并未發(fā)生明顯的改變。
　　2.在田間條

5、件下，玉米收獲前，兩大豆品種中PTOX和PGR5基因在單作下的表達(dá)水平均高于套作，且在上部葉片中的表達(dá)水平高于下部葉片;南豆12中AOX1和AOX2a單作下的表達(dá)水平低于套作，而在南032-4中則與之相反，且兩品種中AOX1和AOX2a在上部葉片中的表達(dá)水平均高于下部葉片;兩品種中PDS和ZDS基因則是在套作下的表達(dá)水平高于單作，上部葉片中的表達(dá)水平高于下部葉片。玉米收獲后，兩品種中PTOX、 PGR5、AOX1和AOX2a在單作下的表

6、達(dá)水平均高于套作，且在上部葉片中的表達(dá)水平高于下部葉片。此外，品種間比較發(fā)現(xiàn)，玉米收獲前，同一種植模式及同一葉位中，PTO、PGR5和PDS在南豆12中的表達(dá)水平高于南032-4，AOX1、AOX2a和ZDS剛好與之相反。玉米收獲后，同一種植模式及同一葉位中，PTOX和ZDS在品種間比較均無明顯差異。兩大豆品種中NDH-H、RbcS和AOX2b基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平在各種條件下均未發(fā)生顯著的改變。
　　3.不同光照強(qiáng)度下，南豆12的凈

7、光合速率(Pn)均高于南032-4，其胞間二氧化碳濃度(Ci)則低于南032-4，而氣孔導(dǎo)度（GS)在品種間則不存在顯著差異。這表明，造成品種間凈光合速率的差異是由非氣孔因素所造成。兩大豆品種的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量均隨著光照強(qiáng)度的增加而降低，且在低、中光強(qiáng)及兩種大田栽培條件下，兩種色素在南豆12中的含量均高于南032-4，但高光強(qiáng)下，這種差異并不明顯。這表明，兩品種光合能力不同與捕光能力的差異有密切關(guān)系，但在高光強(qiáng)下的不同還另有原

8、因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，兩品種大豆的PSⅡ的最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、光化學(xué)淬滅效率(qP)、PSⅡ?qū)嶋H電子傳遞的量子效率(ΦPSⅡ)均隨著光照強(qiáng)度增加而降低，電子傳遞速率(ETR)均是先增加后降低，而非光化學(xué)淬滅效率(NPQ)在高光強(qiáng)下均提升到較高的水平，且南豆12極顯著高于南032-4。這說明，過多光能導(dǎo)致兩種大豆均發(fā)生了光抑制，而高光強(qiáng)下，南豆12耗散過剩光能的能力比南032-4更強(qiáng)。此外，超氧化物歧化酶(SOD)和抗壞血酸過氧化氫

9、酶(APX)以及兩種蘋果酸脫氫酶(NAD-MDH和NADP-MDH)在兩種大豆中的活性均隨著光照強(qiáng)度的增加而升高，其中SOD和APX在南豆12中的酶活性均高于南032-4，而兩種蘋果酸脫氫酶的酶活性剛好與之相反。這表明南豆12可能具有活性更高的抗氧化酶系，而南032-4輸出葉綠體還原性物質(zhì)的能力要強(qiáng)于南豆12。
　　綜上所述，光照強(qiáng)度的增加明顯引起了末端氧化酶PTOX和AOX基因的表達(dá)上調(diào)，同時(shí)，其功能相關(guān)基因PGR5、PDS和Z

10、DS的表達(dá)水平也相應(yīng)提高。這表明葉綠體呼吸、交替呼吸以及環(huán)式電子傳遞的過程在大豆光保護(hù)機(jī)制中可能發(fā)揮了一定的作用。高光強(qiáng)下，南豆12比南032-4具有更高的抗氧化酶酶活，以及較高的凈光合速率和非光化學(xué)淬滅效率。而室內(nèi)或田間環(huán)境下，PTOX及相關(guān)功能基因(PGR5、PDS、ZDS)在南豆12中均比在南032-4中具有更高的表達(dá)水平?？梢酝茰y(cè)，具有較強(qiáng)葉綠體呼吸及環(huán)式光合電子傳遞能力的南豆12相比具有較強(qiáng)線粒體交替呼吸能力的南032-4，能