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高密度种植玉米的蛋白质组学分析

教育装备采购网 2022-03-28 11:51 围观2555次

弱光增加光反应蛋白的丰度:高密度种植玉米的蛋白质组学分析

高密度种植玉米的蛋白质组学分析

  现代农业生产中常以高密度种植为基础,植物经常处于上部叶片或相邻植株形成的弱光环境下。弱光诱导植物形态和生理特性变化。形态上,弱光诱导株高、茎粗、叶片厚度、比叶面积等发生变化。生理上,弱光影响单位叶面积含氮量、叶绿素含量、光合色素含量以及光合相关酶活性等发生变化。

  这些变化间接或直接抑制了光合作用,不利于作物生产。在玉米生产上,弱光胁迫破坏叶绿体超微结构,降低叶绿素合成,进而降低CO2固定和光合能力。此外,在华北平原地区的夏玉米生长后期,日照时数和太阳辐射的减少严重制约了玉米的生产,表明弱光是夏玉米生产中不可避免的问题。

  山东农业大学农学院生态课题组在中国北方黄淮海地区开展夏玉米叶片生理和光合参数、叶绿素含量、叶绿素快速诱导动力学曲线、叶片氮素含量等生理生态学和相关光合蛋白质组学研究,以探明夏玉米在高密度种植中弱光环境下的生长机制,并使用美国PP SYSTEMS公司生产的CIRAS-3便携式光合作用测量系统英国Hansatech公司生产的Handy PEA及M-PEA植物效率分析仪测定了不同处理玉米气体交换参数及快速叶绿素诱导动力学曲线。

  研究结果“Low light increases the abundance of light reaction pro-teins: proteomics analysis of maize (Zea maysL.) grown at high planting density”发表在International Journal of Molecular Sciences(IF=5.924)杂志上。

高密度种植玉米的蛋白质组学分析

图1 开花后0、10、20、30和40d低密度(LD)、正常密度(ND)和高密度(HD)种植下的玉米叶片生理参数。(A) 叶片单位面积干重(LMA);(B)叶片总叶绿素含量(Chl(a+b))和(C)叶片氮含量。

  增加种植密度显著降低花后各时期的叶片单位面积干重(LMA)和叶绿素含量(图1)。与LD处理相比,ND和HD处理的LMA、叶绿素含量在花后各时期均显著下降。叶片含氮量在0-20d也呈现下降趋势但是自花后30 d起密植处理的叶片含氮量逐渐高于LD处理,至花后40 d时,ND和HD的叶片含氮量分别比LD处理显著提高14.1%和4.1%。

高密度种植玉米的蛋白质组学分析

图2 不同光强下玉米叶片气体交换参数的变化

  随着叶片衰老,3个种植密度下玉米叶片的净光合速率(Pn)总体上均呈下降趋势,同时出现气孔导度(Gs)下降的趋势,而胞间CO2浓度(Ci)则呈现上升趋势。这表明,不同密度夏玉米叶片Pn下降是由非气孔限制引起的。在强光(1600 mmol m-2s-1)下,LD处理的叶片净光合速率(Pn)随着叶片衰老逐渐下降,而ND和HD处理的叶片Pn则先上升后下降,均在花后10 d达到最大值(图2 A-C)。增加种植密度显著降低了开花前期的叶片Pn,显著增加了开花中后期的叶片Pn。ND处理的增幅最大。弱光(300 mmol m-2s-1)下的变化趋势与强光下的相同(图2 D-F)。但HD处理的增幅最大。

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表1 不同处理玉米叶片通过光强-光合响应曲线获得的参数

  表1是根据光合响应曲线进行拟合获得的相关参数。各参数值的变化受到种植密度和生育时期的共同影响。花后0-20 d,ND和HD处理的Amax均显著低于LD处理,而在花后30 d和40 d则分别显著提高29.1%、45.8%。与之不同的是,密植处理的Rd在花后各时期均按照LD>ND>HD的顺序下降。

  作为反映叶片对弱光利用效率的指标,AQE在花后0 d 和10 d的最大值分别出现在LD和ND处理,而从花后20 d起,便按照LD<ND<HD的顺序增加。此外,虽然LCP和LSP在花后0 d的最大值均出现在ND处理,但是花后10-40 d的LCP和LSP总体上均按照LD>ND>HD的顺序下降。

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图3 不同处理玉米叶片叶绿素荧光诱导动力学曲线

  在对数时间尺度上,所有处理下玉米叶片的叶绿素荧光均随诱导时间快速上升,呈现出典型的OJIP瞬态变化。虽然随着叶片衰老,同一处理的OJIP曲线相似,但是明显可以看出与花后0 d的差异。

  为了可视化和分析整个诱导时间内的差异变化,将各处理转换为振幅变化曲线。与花后0 d相比,除了ND处理花后20 d的I-P段,同一种植密度自花后10 d起在O-P段均表现出正的DVt值。正的DVt值,表明较低的电子传递效率,负值则相反。增密处理的DVt值在开花中后期(20-40 d)显著下降,表现为ND<HD<LD。

  这表明,在一定范围内适当增加种植密度会缓解生育后期PSII的受损程度而不是抑制。

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图4  不同密度处理花后各时期的玉米叶片模型

  花后0 d发现吸收能量(ABS/CS)、捕获能量(TR/CS)、电子传递(ET/CS)、热耗散(DI/CS)和活性反应中心的百分比(RC/CS)均随着种植密度的增加而显著增加,均在HD处理达到最大值。

  花后10 d时,这些指标的最大值均出现在ND处理;此外,相较于LD处理,HD处理中发现仅ET/CS和RC/CS显著提高而ABS/CS、TR/CS和DI/CS的值均与LD处理相似。自开花20 d起,能量通量参数均表现出相似的变化,即最大值出现在ND处理,其次是HD处理,最小值出现在LD处理。从能量通量的总体结果来看,RC/CS和ET/CS是变化最大的参数。

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图5 不同处理玉米叶片荧光参数雷达图

  雷达图结果表明,在花后各时期,密植处理与低密度处理具有相似的jPo,这在一定程度上表明弱光胁迫对PSII光化学效率并没有显著影响。然而,很明显的观察到了种植密度对电子传递系统的影响,这一影响体现在Wk、Vj、Yo、jEo和 jRo这些与电子传递有关的参数上。且发现密植对PSI电子传递效率的提升效果高于PSII的。花后各时期的dRo均表现为ND>HD>LD处理,ND处理均达显著差异,而HD处理仅在花后0 d达到显著差异。

  花后各时期的PIabs和PItotal均表现为ND>HD>LD。与LD处理相比,增密处理叶片的光系统协调性(F(PSI/PSII))在花后0-20 d均显著提高,而花后30和40 d只有ND处理的F(PSI/PSII)显著高于LD处理,而HD与之差异不显著。综上表明,增加种植密度有利于促进PSII 和PSI 之间电子传递链通量。

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图6 光诱导光合机构中差异丰富蛋白质(DAPs)水平的变化

  电子不断穿梭于去镁叶绿素(Phe)和质体醌分子QA和QB之间,然后输送到位于PSII和PSI之间的叶绿体细胞色素b6f复合物(Cytb6f)。在应激条件下,Cytb6f相关蛋白的表达可以增加。在ND和HD叶片中,PetA、PetD、PetF和PetJ的丰度高于LD叶片。这些蛋白质的高丰度可能构成一种协调策略,从而确保高效的电子传输,并在密集种植条件下与上游代谢保持联系。

  文章最后,作者作出如下总结:密植玉米植株可以通过提高光利用效率和减少光合产物的消耗来适应弱光,这反映在较高的AQE和较低的Rd和LCP上。与根系表型变化导致的养分和水分吸收利用效率降低相比,尽管密植玉米的叶片形态和生理性状发生了显著变化,但在弱光下,光利用效率显著提高。

  此外,研究结果还显示了利用叶绿素荧光参数以及相关蛋白质作为植物光胁迫指标的潜力,这可以为开发适合集约化农业的栽培条件和玉米品种提供技术支持。

点击进入北京英驰科技有限公司展台查看更多 来源:教育装备采购网 作者:hansatech-inch 责任编辑:逯红栋 我要投稿
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