[目的]蒙古黄芪是黄芪药材的重要基原植物,其主要种植地内蒙古、山西、甘肃等地均属于干旱、半干旱地区,不定期间歇式降雨造成了植物干旱复水循环.研究蒙古黄芪在干旱及复水过程中代谢产物的变化特征对于了解其响应自然间歇降雨的干旱胁迫机制非常关键.[方法]试验以1年生蒙古黄芪种苗为材料,进行反复干旱胁迫及复水处理后,测定盆栽土壤养分及其根长、根粗,用基于NMR的代谢组学技术分析蒙古黄芪的初生差异代谢物,并进行差异代谢物筛选及代谢通路分析;用亚硝酸钠-硝酸铝-氢氧化钠法、香草醛-冰醋酸比色法和苯酚-硫酸比色法测定反复干旱胁迫处理下蒙古黄芪根中总黄酮、总皂苷及多糖物质含量.[结果](1)蒙古黄芪在干旱胁迫时会呈现根粗减小,根长和须根密度增加的趋势.(2)干旱及复水处理下,代谢组共检测到42种代谢产物,主要是氨基酸及其衍生物、有机酸、胺类及氨类化合物和糖类等;代谢通路分析表明,植株在反复干旱胁迫过程中主要影响体内的氨基酸代谢途径,通过增加天冬氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸及精氨酸的含量,降低天冬酰胺、色氨酸和4-氨基丁酸的含量来增强自身抗旱性,具体表现为丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸等代谢物增加1～3倍,色氨酸和4-氨基丁酸等代谢物下降1～2倍.(3)在第1轮干旱胁迫下蒙古黄芪总皂苷积累,而第2轮干旱胁迫后黄芪皂苷、总黄酮类、多糖3种活性物质的生成量减少,均呈下降趋势.[结论]氨基酸及其衍生物类与蒙古黄芪响应水分胁迫的机制密切相关,同时植株也会调节自身的次生代谢产物以响应环境变化.

由于工业发展以及生活废弃物污染的不断加剧,作物中的重金属浓度超标,严重威胁人体的健康.铝激活苹果酸转运体编码一类阴离子通道蛋白,在植物有机酸的跨膜转运中发挥重要的作用.为研究GmALMT33基因在大豆应对镉胁迫中的功能,本研究以大豆黑农48的叶片cDNA为模板,利用RT-PCR克隆得到GmALMT33基因.该基因CDS区全长1622 bp,编码553个氨基酸,含有1个ALMT结构域.qRT-PCR结果表明,GmALMT33在大豆根部的表达水平最高;镉胁迫后,该基因表达量呈现先升高后降低的趋势.构建植物表达载体pCPB-GmALMT33并对烟草、大豆毛状根进行遗传转化,转基因植株抗逆表型与生理指标分析表明,镉(66pmol/LCdCl2)胁迫下,转基因烟草叶片黄化、褪绿,边缘褐化程度明显低于野生型烟草.转基因大豆毛状根复合体植株茎秆和叶脉呈现的红褐色毒害症状程度明显弱于转空载体植株.在镉胁迫处理7d后,转基因烟草叶片的超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶活性及可溶性糖含量均高于野生型对照,丙二醛含量均低于对照.在镉胁迫处理0 d、1 d、3 d后,转基因大豆毛状根复合体根和叶的超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶活性、可溶性糖含量均高于转空载体对照,丙二醛含量均低于对照,表明GmALMT33基因提高了植株的耐镉能力.本研究为进一步探讨GmALMT33基因的作用机制提供了依据,并为大豆抗逆育种提供了新的基因.

有毒金属离子在植物组织中的分布和亚细胞水平的定位与植物对金属离子的耐受性密切相关.为探究铝进入马尾松体内后在亚细胞水平下的分布情况,该研究分别设置0、0.5、1.0、2.0 mmol·L-14个铝浓度,通过盆栽试验研究不同铝浓度下马尾松的生长状况及亚细胞水平下铝的分配特征.结果表明:(1)低浓度铝(0.5 mmol·L-1)显著促进马尾松的生长(P＜0.05),随铝浓度的升高(≥1.0 mmol·L-1),马尾松根系生长和根尖细胞活力均受到抑制.(2)相较于茎叶,进入马尾松体内的铝主要沉积在根系中(P＜0.05),但随着铝浓度的增加,茎叶中的铝含量也开始增加.(3)亚细胞水平下,不同铝浓度影响了铝在细胞壁和液泡中的分配比例.当铝浓度为1.0 mmol·L-1及以下时,铝在根系和茎叶的细胞壁和液泡中的比例均较高,两者间铝含量差异不显著;而高铝浓度下(2.0 mmol·L-1),铝则主要沉积在细胞壁上,根系、茎叶的细胞壁铝含量分别占比55％和70％.相较而言,各铝浓度处理下细胞器和细胞质中的铝含量均维持在较低水平,这降低了铝对细胞功能的影响.综上认为,马尾松可以通过调整体内铝的分配来适应铝胁迫,这为后续从细胞及分子层面进一步阐明马尾松对铝环境的适应机制奠定了理论基础.

为探究外源一氧化氮(NO)对铝胁迫下桉树幼苗耐铝性的影响,该研究以 4 种 3 月生桉树幼苗(巨桉、尾叶桉、圆角桉、尾巨桉)为对象,将硝普钠(SNP)作为外源NO供体,采用水培法,研究不同浓度NO(0、50、100、200、400、800 μmol·L-1)对120 mg·L-1铝胁迫条件下桉树幼苗的ROS、抗氧化酶活性和有机渗透调节物质含量等生理指标的影响,并比较 4 种桉树在NO处理下的耐铝性差异.结果表明:(1)铝胁迫下添加适宜浓度外源NO(50 μmol·L-1≤NO≤200 μmol·L-1),可促使 4 种桉树提高可溶性糖和可溶性蛋白的含量、抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX)活性,清除体内的ROS和降低MDA的积累,提高抗铝性,但在高浓度的NO(≥800 μmol·L-1)处理下桉树幼苗的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量降低,表现出胁迫反应.(2)NO对于敏感型桉树的耐铝性有较强的提升作用,对耐受型桉树的耐铝性提升不明显,在NO的作用下4种桉树的抗铝性最终趋于一致.(3)SOD、MDA、CAT、O2-、可溶性蛋白和可溶性糖这些指标可作为评判桉树耐铝性强弱的关键指标.该研究结果为桉树耐铝种质资源的选择提供科学参考,为深入了解NO调控桉树种间耐铝性差异的机制奠定了基础.

为探讨盾叶薯蓣在低磷胁迫下的生理变化、甾体皂苷类成分代谢及基因表达的响应特征,本研究选取河南南阳产盾叶薯蓣进行模拟低磷胁迫实验,在不同时期对根际基质中的磷含量(全磷、速效磷、磷酸铝盐、磷酸铁盐、磷酸钙盐)和土壤酸性磷酸酶(soil acid phosphatase,S-ACP)活性、植株根系发育特征(总根长、总投影面积、总表面积),各部位过氧化物酶(peroxidase,POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性及甾体皂苷类成分含量等指标进行分析,确定盾叶薯蓣响应低磷胁迫的关键时期,并利用RNA-Seq测序对关键时期盾叶薯蓣根茎、叶片、地上茎3个部位中的基因表达特征进行分析.研究发现低磷胁迫处理后盾叶薯蓣根际基质中易吸收态磷含量显著降低,其抗氧化酶(POD、SOD)与酸性磷酸酶活性均显著升高,根系发育受阻;低磷胁迫可明显影响盾叶薯蓣中甾体皂苷的合成与积累,且不同部位响应特征不同;胁迫初期为盾叶薯蓣响应低磷胁迫的关键时期;响应低磷胁迫关键时期的盾叶薯蓣基因表达存在明显的组织特异性,对三个处理组不同部位基因表达量与代谢通路进行分析,分别从盾叶薯蓣根茎、叶片、地上茎3个部位中挖掘到239、211、237个差异基因,涉及萜类骨架、有机酸、肌醇的生物合成等多个代谢通路.上述研究结果说明盾叶薯蓣通过改变基因表达水平对表型性状和生理代谢过程进行调节来响应低磷胁迫,本研究为研究盾叶薯蓣响应低磷胁迫的分子机制提供理论依据.

为探讨铝胁迫对杉木抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环的影响,明确AsA GSH循环在杉木耐铝性中的作用,以耐铝(YX26)和铝敏感型(YX5)杉木家系为材料,分析了铝胁迫对不同耐铝型杉木叶片氧化损伤、抗氧化酶活性和AsA-GSH循环系统的影响.结果表明:(1)铝胁迫显著增加杉木叶片丙二醛(MDA)含量,而且YX5叶片中MDA含量增幅显著大于YX26.(2)铝胁迫不同程度增加了2个杉木家系叶片过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和单脱氢抗坏血酸还原酶(MDAR)活性以及抗坏血酸(AsA)、脱氢抗坏血酸(DHA)、还原型谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量,而且除AsA含量外,铝胁迫下YX26中上述酶活性和非酶性抗氧化剂含量的增幅均大于YX5.(3)铝胁迫下YX5叶片中过氧化氢酶(CAT)和脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)的活性受到显著抑制,而YX26中这两个酶的活性却有所增加,且YX26中的DHAR活性显著高于对照.(4)铝胁迫抑制了2个杉木家系超氧化物歧化酶(SOD)活性,但YX26中SOD活性的降幅小于YX5.研究认为,铝胁迫下通过维持AsA-GSH循环酶活性和非酶性抗氧化系统的高效运转,增强自身活性氧清除能力是耐铝型杉木家系具有较强铝耐能力的生理基础.

以多花黑麦草(Lolium multiflorum Lam.)为材料,采用盆栽实验法,对其进行不同浓度铝(Al)的胁迫处理(0、100、200、300、400、500 mg/kg),并测定植株胁迫后的各项生长和生理指标.结果显示,Al胁迫会抑制多花黑麦草的生长和生物量的积累,Al3+含量越高,其抑制作用越强.其中,土壤Al3+含量为500 mg/kg时对植物株高和地上部的干重产生显著抑制作用;而当Al3+含量为100 mg/kg时对植物根长和根干重产生显著抑制作用.叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量均随Al3+含量的升高而降低,其中Al3+含量为500 mg/kg时,叶绿素a、叶绿素b分别比对照下降了56.81％和46.57％.地上部和根系中的可溶性糖、游离脯氨酸、MDA含量和SOD活性均随Al3+含量的升高而升高,且上述地上部4个指标均高于根系.

水稻胁迫相关蛋白激酶(OsSAPKs,stress-activated protein kinase genes in rice)在调控水稻非生物胁迫信号传导中起着重要作用.本研究对OsSAPK9在水稻耐铝(Al)胁迫中的功能进行了初步研究.结果表明10 mmol/L Al处理12 h以上,OsSAPK9过表达转基因水稻植株根部Al的吸收量显著低于野生型植株;Al胁迫处理20 d,OsSAPI过表达转基因植株株高降低百分比显著低于野生型植株.进一步分析发现OsSAPK9过表达转基因水稻植株根部超氧化歧化酶(SOD,Superoxide Dismutase)和过氧化物酶(POD,Peroxidase)的活性高于野生型,而根上部的SOD、POD和过氧化氢酶(CAT,Catalase)的活性则低于野生型植株.上述结果为改良水稻的耐铝性以及进一步揭示OsSAPK9调控水稻耐铝胁迫反应的分子机制提供了信息.

热带酸性土壤中铝毒非常普遍,其对橡胶树生长的影响尚不清楚.采用盆栽砂培试验研究了铝离子对橡胶苗生理和叶绿素荧光特性的影响.结果表明:当铝浓度高于200mmol·L-1时,橡胶苗细胞质膜透性、叶片游离脯氨酸和可溶性糖含量显著提高,相对含水量、过氧化氢酶和过氧化物酶活性、叶片叶绿素a含量、叶绿素最大荧光、PSⅡ最大光化学效率、PSⅡ潜在活性、光化学淬灭系数、非光化学淬灭系数和光合电子传递速率显著降低;当铝离子浓度低于100 mmol·L-1时,不同处理间橡胶苗生理和叶绿素荧光特性差异较小或不明显.说明橡胶树是较为耐铝的植物,铝离子对橡胶苗造成伤害的阈值在1 00 ～ 200 mmol·L-1;超过这一浓度,会造成橡胶苗不可逆的伤害.

本研究从蝴蝶兰叶片中克隆了茎部特异基因PhTSJT1的全长序列(GenBank登录号为MF797883),并分析了其在不同组织及低温胁迫下的表达特性.结果表明,PhTSJT1基因全长994bp,编码239个氨基酸,属于Class-Ⅱ谷氨酰胺酰胺基转移酶超家族成员;同源性分析表明,该蛋白与多种植物的茎部特异蛋白和铝诱导蛋白有较高的同源性,进化上与小兰屿蝴蝶兰的茎部特异蛋白亲缘关系最近;该基因在营养器官中表达水平较高,在花器官中表达水平较低;13℃/8℃(昼/夜)的低温胁迫抑制PhTSJT1基因的转录表达,并随着低温胁迫时间的延长,PhTSJT1基因的表达水平逐渐降低,在温度恢复正常时其表达水平升高;4℃冷胁迫低温条件下,PhTSJT1基因在处理1h时,表达水平升高,处理8h时表达水平最高,16h后表达水平逐渐降低.由此推测,PhTSJT1参与4℃冷胁迫的分子调控.本研究不但有助于理解热带亚热带植物的耐冷机制,也为蝴蝶兰新品种的遗传改良提供帮助.