盐胁迫下番茄玉米黄质环氧化酶基因与光保护关系的研究

摘要

盐胁迫是影响植物生长和产量的最重要环境因素之一。盐胁迫下植物生长量的降低常与光合能力下降有关。植物光合能力下降会导致过剩光能增多，若多余的激发能不能及时耗散掉，会导致过多活性氧(ROS)产生，对植物造成氧化胁迫伤害。
　　 为了避免或减少光抑制，高等植物体内存在着多种防御机制，其中叶黄素循环被认为是在环境胁迫下保护植物光合机构免受过剩光能破坏的一种重要的机制。叶黄素循环是指植物吸收的光能过剩时，双环氧的紫黄质(V)在紫黄质脱环氧化酶(VDE)的催化下，经过中间物单环氧的花药黄质(A)转化为无环氧的玉米黄质(Z)；在暗处，则在玉米黄质环氧化酶(ZE)的作用下朝相反的方向进行，将Z重新环氧化为V，形成一个循环。依赖于叶黄素循环的非光化学猝灭(NPQ)能够保护植物光合机构免受过剩激发能的破坏。当有过剩光能存在时，由紫黄质(V)脱环氧化而积累的玉米黄质(Z)被人们普遍认为对光合机构起到至关重要的保护作用。
　　 本实验以中蔬四号番茄野生型(WT)，转正义LeZE基因株系(S1、S2、S3)和转反义LeZE基因株系(A1、A2、A3)为试材，通过测定玉米黄质在叶黄素循环组分中的比例Z/(V+A+Z)和叶黄素循环的脱环氧化程度(Z+0.5A)/(V+A+Z)与盐胁迫前后番茄生长状况、光合速率、叶绿素荧光参数、活性氧积累量、膜脂过氧化程度、相对电导率以及D1蛋白含量等指标的关系，研究了玉米黄质以及叶黄素循环对盐胁迫下光氧化破坏的保护作用及机制。主要结果如下：
　　 (1)大量积累玉米黄质减轻了盐胁迫下光抑制和光氧化破坏程度。盐胁迫前后转反义基因株系(A1、A2、A3)玉米黄质在叶黄素循环组分中所占的比例Z/(V+A+Z)和叶黄素循环的脱环氧化程度(Z+0.5A)/(V+A+Z)都高于WT，但是非光化学猝灭(NPQ)值却与WT没有显著差异。可我们的研究却发现了盐胁迫下转反义基因株系(A1、A2、A3)的PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和净光合速率(Pn)的下降程度都比WT轻。进一步研究发现，与WT相比，盐胁迫后转基因株系积累了较少的活性氧，膜脂过氧化程度和离子渗漏程度较轻，D1蛋白含量下降程度较也较轻。这些结果表明大量积累的玉米黄质可在膜脂中作为抗氧化剂猝灭活性氧及其它激发态分子以减轻活性氧造成的氧化破坏。
　　 (2)过表达LeZE基因增加了盐胁迫下番茄光抑制和光氧化破坏的敏感性。盐胁迫前后转正义LeZE基因株系(S1、S2、S3)玉米黄质在叶黄素循环组分中所占的比例Z/(V+A+Z)和叶黄素循环的脱环氧化程度(Z+0.5A)/(V+A+Z)都低于WT。盐胁迫后转正义基因株系和WT的NPQ值都有明显升高，PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和净光合速率(Pn)都明显降低；但转基正义因株系的NPQ值稍低于WT，转正义基因株系最大光化学效率(Fv/Fm)和净光合速率(Pn)降低更严重。本研究也观察到转正义基因株系(S1、S2、S3)的生长受盐胁迫抑制更严重。进一步研究发现，盐胁迫下转正义基因株系(S1、S2、S3)活性氧积累增多，膜脂过氧化破坏程度、离子渗漏程度、PSⅡ复合体中D1蛋白含量下降程度等更明显严重，说明过表达LeZE基因破坏了叶黄素循环的光保护功能，加重了盐胁迫下番茄光抑制和光氧化破坏程度。
　　 综上所述，抑制LeZE表达使Z大量积累没有明显改变非光化学猝灭NPQ的值。但是Z的大量积累可通过猝灭活性氧的激发态活性分子减轻番茄光抑制和光氧化破坏程度。过表达LeZE降低了叶黄素循环的脱环氧化程度，使盐胁迫下过剩光能耗散能力和活性氧清除能力下降，因此增强了番茄盐胁迫下PSⅡ光抑制和光氧化破坏的敏感性。