（蔬菜学专业论文）生姜紫黄质脱环氧化酶基因（GVDE）的克隆、表达、功能及其调控.pdf

摘要 生姜( z i n g i b e ro f f w i n a l e r o s e ) 是姜科、姜属能形成地下肉质根茎的栽培种，为多年生草本 植物，作一年生蔬菜栽培。原产子我国及东南亚等热带森林及雨林区，长期系统发育的结果使其 形成了耐荫不耐强光的特性。在强光下特别是晴天中午生姜植株的p n 、a q y 、f 川 m 下降。同 时生姜的生长季节在夏秋两季，是一年四季中光照最强的时期，喜温而不耐强光的生姜生长在这 样的季节容易发生光抑制现象，甚至光氧化。在光抑制过程中生姜自身有一定的保护机制。本论 文以山东莱芜生姜为试材，克隆了生姜体内的v d e 基因，通过转基因技术获得转基因植株，研 究其在强光下的表达；并对生姜叶片进行外源a s a 、a b a 处理，研究了两者对生姜叶片光抑制 的保护作用，获得如下结果： 1 利用g e n b a n k 上已经登陆的紫黄质脱环氧化酶( 圮崛) 基因序列，设计简并引物，通过 r t - p c r 方法克隆了生姜体内g v d e 基因的中问保守序列。然后利用r a c e - p c r 方法得到g i , d e 基因的3 和5 末端。根据已经获得的基因序列设计引物扩增了g f d e 基因全长。测序结果表 明，g v d e 基因的全长序列为2 0 0 0 b p ，编码区长为1 4 3 1 b p ，编码4 7 6 个氨基酸，分子量是5 3 7 k d ， 其氨基酸序列和拟南芥，烟草，小麦，水稻分别有6 1 、5 9 、5 9 、6 3 同源性，且具有典型 的v d e 特征。 2 运用r t - p c r 方法，从生姜总r n a 中扩增出g f d e 基因的开放阅读框( o r f , o p e nr e a d i n g f r a m e ) 1 4 3 l b p ，用适当的限制性内切酶酶切，将g v d e - o r f 连接到p b i l 2 1 表达载体上，经过双 酶切和测序鉴定证实g v d e 基因的o r f 区已经反向插入到表达载体上。然后将构建好地表达载 体( 含目的片段) 通过农杆菌侵染法侵染烟草叶片，利用抗生素筛选得到转基因烟草植株。转基 因烟草先通过p c r - s o u t h e r n 排除转基因的假阳性。然后对转基因烟草中的v d e 表达和在强光下 的保护机制作了进一步研究，结果表明，转基因烟草的n l 叼和f v f m 都低于对照，a p x 、s o d 和p o d 等抗氧化酶活性也低于对照植株。 3 强光照射下不同浓度a s a 处理对生姜离体叶片光抑制的作用研究。结果表明，较低浓度的 a s h , 处理( 1 0 ，5 0 ，1 0 0 r a m ) 叶片的f v f m 普遍高于高浓度的a s a 处理( 1 5 0 ，2 5 0 r a m ) 和对照。 1 0 r a m a s a 处理叶片的q p 值始终高于对照，所有a 媳处理q n 都明显高于对照。不同的a s a 处理各 抗氧化酶活性有所差异。在所有的a s a 处酬1 0 m m a s a 浓度处理对离体叶片最佳，f v f m 、a p 和q n 维持较高水平，抗氧化酶活性也较高。说明外源a s a 对强光引起的叶片的光抑制有一定的保 护作用。 不同a s a 浓度处理后的生姜活体叶片的n p q 、f v f m 、q p 、o p s 和d 值普遍高于对照，a s a 处理叶片的叶黄素循环库( a + z + v ) 总量也高于对照，较高浓度( 1 5 0 m m ，2 5 0 r a m ) 的a s h , 处理 的c a + z ) ( a h 升v ) 、抗氧化酶活性等高于其它处理和对照。总的来说，在所有的a s a 处理中，以 2 5 0 m ma s a 处理对活体叶片表现最好，热耗散能力增强，抗氧化酶活性较高，能够在一定程度 上保护生姜叶片在遭遇强光胁迫下光合机构受过剩光能的破坏，活性氧清除能力加强。 4 在强光条件下，经不同浓度a b a 处理生姜离体叶片i 孢f v f m 、中p s i l 、n p q 比对照有所提 高，a p x 、d h a r 、s o d 和p o d 等抗氧化酶活性比对照也有所增加。在所有的a b a 处理中以1 0 0 l l m a b a 浓度处理为最佳，f v f m ，中p s i i 维持较高水平，热耗散能力增强，a p x 、d h a r 活性也较高。 咀生姜活体叶片为试材，用不同a b a 浓度处理后的研究结果表明，无论是对照还是a b a 处理 的生姜活体叶片的f v f m 、o r s l i 、f o 在强光下呈下降趋势，说明生姜叶片在强光下发生光抑制。 在强光照射1 0 3 0 m i a i 勾a b a 处理叶片的n p q 、f v f m 、巾i l 、叶黄素循环组分比值( a + z ) ( a + z + v ) 等普遍高于对照。同时a b a 处理提高了生姜活体叶片的抗氧化酶活性。其中以2 0 0 9 m a b a 处理为 最好，具有较高的n p q 、f v f m 、中p s i i 和f 0 ，缓解了光合作用的光抑制，且清除活性氧的酶类活 性也高于其它处理。 关键词生姜g l i d e 基因克隆a s aa b an p q 抗氧化酶 i i a b s t r a c t g i n g e r ( z i n g i b e r o f f i c i n a l er o s e ) i s as p e c i e so f t h ef a m i l yz i n g i b e r a c e a e t h eo r i g i n a lp r o d u c i n g r e g i o nw a st r o p i cf o r e s ta r e aa n dr a i nf o r e s ta r e ss u c h 嬲c h i n aa n ds o u t h e a s to f a s i a na n ds oo n t h el o n g p e d o do f s y s t e md e v e l o p m e n ti ng i n g e rf o r m e dt h ea b i l i t yt ob e a rs h a d ea n dn o te n d u r eh i g hl i g h t p n ， a q y ，f v f m o f g i n g e r d e c r e a s e d i n h i g h l i g h te s p e c i a l l y i n n o o n a t t h eb a l t i c t i m e ，g i n g e r s w i t s m a i n l y v e g e t a t e di ns u m m e ra n da u t u m nw h i c ho w n e d t h es t r o n gi l l u m i n a t i o ni na l lt h ey e a rr o u n d s og i n g e r p r o n e dt op h o t o i n h i b i t i o ni ns u c hs e a s o n sa n ds e v e r e l yt op h o t o o x i d a t i o n b u tg i n g e ri t s e l f o w n e ds o m e p r o t e c tm e c h a n i s m si np h o t o i n h i b i t i o np r o e 岱s i nt h i sp a p e r , w eu s e dl a i w ug i n g e ro fs h a r d ) o n g p r o v i n c ea sm a t e r i a l ，c l o n i n g d eg e n ef r o mg i n g e rl e a v e sa n dg a i n e dt r a n s g e n i cp l a n t st h r o u g h t m n s - g e n et e c h n i q u e ，w ea l s or e s e a r c h e dt h ee x p r e s s i o no fv d eg e n ei nt r a n s g e n i ep l a n t s a tt h es a n l e t i m e ，w er e s e a r c h e dt h er e l a t i o n s h i po f e x o t i c a & a a n d a b a 谢t l lp h o t o i n h i b i t i o ni ng i n g e rl e a v e s ，t h e p o s s i b l ep r o t e c t i o nm e c h a n i s mo f a s aa n da b ai ng i n g e rp l a n t su n d e rh i g hl i g h t 1 v i o l a x a n t h i nd e e p o x i d a s e ( g v d e ) g e n ew a sc l o n e df r o mg i n g 叮l e a v sa n dw ea l s or e s e a r c h e d i t se x p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si nr e s p o n s et ol i g h t b yu s i n gr t - p c ra n d 5 ，3 。r a p i da m p l i f i c a t i o no f e d n a e n d s ( r a c e ) ，af u l l - l e n 酵h ( 2 0 0 0 b p ) e d n ao ft h eg v d e ( a c c e s s i o nn o a y 8 7 6 2 8 6 ) w a sc l o n e d f r o m g i n g e r l e a v e s t h e f u l l l e n g t h o f g v d e w a s 2 0 0 0 b p ，a n d g v d e c o n t a i n s1 4 3 1 b p l o n g f r o m a t g t ot h es t o pe o d o n ，e n c o d i n gap r e d i c t e dp o l y p e p t i d eo f 4 7 6a m i n oa c i d s ，w h i c hh a sam o l e c u l a rw e i g h t o f 5 3 7 k d a n o r t h e mb l o t i n ga n a l y s i ss h o w e dt h a tg v d e g e n ew a sm a i n l ye x p r e s s e di nl e a v e s ，a n dt h e g i , d em r n al e v e li n c r e a s e dw i t ht h e i l l u m i n a t i o nt i m ep r o l o n g e di nh i g hl i g h t 2g v d e - o r fw a sc l o n e df r o mt o t a lr n ao f g i n g e r , g v d e - o r fg e n ew a si n s e r t e di n t op b i l 2 1 i nt h ea n t i s e n s eo r i e n t a t i o n ，t o b a c c ol e a v e sw e r et r a n s f o r m e dv i ae h a l 0 5 p c r - s o u t h e r nb l o ta n a l y s e s c o n f i r m e dt h a tt h eg v d eg e n ew a si n t e g r a t e di n t ot o b a c c op l a n t s t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tn p q ， i n t r a n s g e n i et o b a c c ow e r el o w e rt h a nc k o u rr e s e a r c ha l s os h o w e dt h a tt h ea c t i v i t i e so f a p x ， s o da n dp o di nt r a n s g e n i ct o b a c c ow 讹a l s ol o w e rt h a nc k 3t h er e s u l ts h o w e dt h a tp s i ip h o t o c h e m i s t r ye f f i c i e n c y ( f v f m ) ，f o , q pa n dq nw e r ed e c r e a s e d i ng i n g e rl e a v e si nv i t r ow i t hh i g hl i g h t f 、，俾mo f l o wa s a - t r e a t e d ( 1 0 ，5 0 ，1 0 0 m m ) w e l o h i g h e rt h a n i na s a - t r e a t e d ( 1 5 0 ，2 5 0 r a m ) o r c k f 0 w a sa l s o h i g h e r i na l l a s a t r e a t e d t h a n i n c k w i t h i n1 0 m i n h i g hl i g h ti l l u m i n a t i o n q po f1 0 m ma s at r e a t m e n t sw a sa l w a y sh i g h e rt h a nc ko ro t h e rc o n e e n l r a t i o n o f a s a - t r e a t e di nh i g hl i g h t q no f a l la s a - t r e a t e dw a sh i g h e rt h a nc kw i t h i nh i g hl i g h ti l l u m i n a t i o n ，i n a n t i - o x i d a t i o ne l i m i n a t i o ns y s t e m ，a c t i v i t i e so fs o da n dp o dw e r er e a c h e dm a x i m u mw i t h i nl o m i n h i g l ll i g h ti l l u m i n a t i o n ，a n da c t i v i t i e so f a p xo rd h a rw e r er e a c h e dm a x i m u mw i t h i n5 m i na n d2 0 m i n h i g hl i g h ti l l u m i n a t i o n 1 0 w e rc o n c e n t r a t i o no f a s a - t r e a t e d ( i o i u m ) w a sm o s te f f i c i e n t ，h 忭饥q pa n d q nm a i n t a i n i n gh i g hl e v e l ，t h ea c t i v i t i e so fs o d ，p o da n da p xw e r ea l s om a i n t a i n i n gh i g hl e v e l w ea l s or e s e a r c h e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na s aa n dp h o t o i n h i b i t i o no f g i n g e rl e a v e si nv i v o o u rr e s u l ts h o w e dt h a tw i t ht h eh i g hl i g h ti l l u m i n a t i o nt i m ep r o l o n g e d ，n p q ，q p , o p s i ia n ddi n a s a - t r e a t e dl e a v e sw e r eh i g h e rt h a ni nc o n t r o l ，t h et o t a ln u m b e ro f x a n t h o p h y l lc y c l i cp i g m e n t i i i e o m p o n e n t s ( a + z + v ) i na s a - t r e n t e dl e a v e sw e r ea l s oh i g h e rt h a ni nc o n t r o l ，a n d ( a 十z ) “a + 科- v ) 、 a n t i o x i d a n te n z y m e s ( a p x ，d h a i ls o da n dp o d ) i nh i g hc o n c e n t r a t i o no f a s a t r e a t e dl e a v e s 0 5 0 r a m ，2 5 0 m m ) w e r e h i g h e r t h a n i n o t h e r a s a t r e a t e da n dc o n t r 0 1 1 1 1 e 2 5 0 m m a s a - t r e a t e d w a s t h e b e s ti na l la s a - u a t e d , s u e ha st h ea b i l i t yo f h e a td i s s i p a t i o ni n c r e a s e d t h ea c t i v i t i e so f a n t i o x i d a n t e n g y l l l e sk e p th i g hl e v e l t h i sc o n c e n t r a t i o no f a s a - t r e a t e dc a np r o t e c tp h o t o s y n t h e t i ca p p a r a t u s d a m a g e sf r o mh i g hl i g h ts h 8 s 4p s i ip h o t o c h e m i s t r ye f f i c i e n c y ( f v f r o ) a n d p s l lw e r ei n c r e a s e di ng i n g e rl e a v e si nv i t r ow i t h a b at r e a t m e n ti nh i g hl i g h t a tt h es a m et i m ef 、慨a n d ( i ) p s i l w e r er e a c h e dm a x i m u mi n1 0 0 1 t mo f a b ac o n c c m r a t i o nt r e a t m e n t r c p qw a si n c r e a s e di ng i n g e rl e a v e si nv i t r o 谢ma b at r e a t m e n t si nh i 9 1 l l i g h t t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a ta b ah a dap r o t e c t i v ee f f e c tf r o mh i 曲l i g h ti n d u c e dp h o t o i n h i b i t i o n a p x , d h a r , s o da n dp o da c t i v i t i e si na b a - 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t r e a t e dl e a v e s 2 0 0 i i ma b a - t r e a t e dw a sm o s te f f i c i e n ti n a l la b a - t r e a t e dc o n c e n t r a t i o n ，n p q ，f v f m ， p s i a n df ow e r eh i g h e rt h a no t h e ra b a t r e a t e d c o n c e n l a a t i o na n dc o n t r 0 1 p h o t o i n h i b i t i o np h e n o m e o aw a sa i 】v j a t e da n dt h ea c t i v i t i e so f a n t i o x i d a n t e n z y m e sw e r eh i g h e l t h a no t h e ra b a - t r c a t e da n dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：g i n g e rv d e g e n ec l o n i n ga s aa b an p qa n t i o x i d a n te n z y m e s 缩略词表 a b b r e v i a t i o n s 缩略词英文全称 中文名 a a n t h e r a x a n t h i n 环氧玉米黄质 a b aa b s c i s i ca c i d 脱落酸 a m pa m # c f l l i n氨苄青霉素 a p xa s c o r b a t ep e r o x i d a s e 抗坏血酸过氧化物酶 a s aa s c o r b i ca c i d 抗坏血酸 6 - b a 6 - b e i m y l a m i n op u r i n e6 - 苄基腺嘌呤 c a m v 3 5 sc a u l i f l o w e r m o s a i c v i r u s3 5 s p r o m o t e r 花椰菜花叶病毒3 5 s 启动子 c a r b c a r b e n i c i l l i n 羧苄青霉索 d h e a td i s s i p a t i o no f a n t e n n a 天线热耗散 d a s a d e h y d r o a x c o r b a t ea c i d 脱氢抗坏血酸 d e p c d i e t h y lp y r o c a r b o n a t e焦碳酸二乙酯 d h a r d e h y d r o a s c o r b a t er e d u c t a s e脱氢抗坏血酸还原酶 d n a d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d 脱氧核糖核酸 d t td i t h i o t h r e i t o l 二硫苏糖醇 e d t a e t h y l e n e d i a m i n et e t r aa c e t a t e 乙二胺四乙酸 f mm a x i m a lf l u o r e s c e n c e ( d a r k ) 暗中的最大荧光 f m m a x i m a lf l u o r c c n c e ( 1 i g h t ) 光下的最大荧光 f v v a r i a b l ef l u o r e s c e n c e 可变荧光 f v f mt h em a x i m u me f f i c i e n c yo f p s i ip h o t o c h e m i s t r yp s i i 最大光化学效率 g v d ev o l a x a n t h i nd e - - e p o x i d a s eo f g i n g e r 生姜紫黄质脱环氧化酶 h p l c h i g hr 戚o r m n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y 高效液相色谱 i p t g s o p r o p y l i b - d - t h i o g a l a e t o s i d e 异丙基一b 一旷硫代半乳糖苷 k m k a n a m y c i n 卡那霉素 l b l u r i a - b e r t a n tm e d i a l b 培养基 m g d g m o n o g a l a c t o s y ld i a c y l g l y c e r o l 单半乳糖甘油二脂 v m e i n a a n b t n p q o r f p c r p f d p o d p v p q p q n r a c e r n a 砌f s d s s o d s s c t c a t n s v v d e x - g a l z z e 中p s m e t h i o n i n e n a p h t h y la c e t i ca c i d n i t r o t e t r a z o l i u mb l u c c h l o r i d e n o n - p h o t o c h e a n i c a lq u e n c h i n g o p e nr e a d i n gf r a m e p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n p h o t o s y n t h e s i sp h o t of l u xd e n s i t y p e r o x i d a s e p o l y v i n y la l c o h o l n o n - p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g p h o t o c h e m i c a lq u e n c h i n g r a n d o ma m p l i f i c a t i o no f e d n ae n d s r i b o n u c l e i ea c i d p d g a m p i c i n s o d i u md o d c c y ls u l f a t e s u p e r o x i d ed i s m u t a s e s o d i u me h l o f i d & s o d i u mc i t r a t eb u f f e r t r i c h l o m a c e t i ca c i d t r i h y d r o x y m e t h y la m i n om e t h a n s v i o l a x a n t h i n v i o l m t h i nd e - e p o x i d a s e 5 - b r o m o - 4 - c h l o r o - 3 - i n d o l y l z e a x a n t h i n z e a x a n t h i ne p o x i d a s e t h ea c t u a lp s i ie f f i c i e n c y ( m 目1 ) 甲硫氨酸 萘乙酸 氯化硝基四氮唑蓝 非光化学猝灭 开放阅读框 聚合酶链式反应 光子流密度 过氧化物酶 聚乙烯吡咯烷酮 非光化学猝灭 光化学猝灭 e d n a 末端快速扩增 核糖核酸 利福平 十二烷基磺酸钠 超氧化物歧化酶 氯化钠柠檬酸钠缓冲液 三氯乙酸 三羟甲基氨基甲烷 紫黄质 紫黄质脱环氧化酶 5 一溴一4 一氯一3 一吲哚 玉米黄质 玉米黄质还氧化酶 p s i i 实际量子效率 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 劲 时间：弘m 多年月? 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签 墨拿 时间；神i 年月，岁日 时问莎h 锌磊旃 中国农业大学博士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 光合作用是光合器官利用光能驱动合成有机化合物的复杂的物理和化学过程，植物、藻类和 一些光合细菌都能进行光合作用。植物和藻类的光合作用是通过利用光能将水和大气中的c 0 2 合成碳水化合物并释放氧气，而光合细菌的光合作用则是利用光能合成有机化合物但并不释放氧 气。因此，光能是植物进行光合作用的重要能源，但是当植物光合机构吸收的光能超过光合作用 所能利用的量时就会遭受强光胁迫，光合功能下降，发生光台作用的光抑制。强光下p s i i 光化 学效率( f v f m ) 和表观量子效率( a q y ) 降低被认为是光抑制的主要特征( d c m m i g 和a d a m 1 9 9 2 ； k r a u s e ，1 9 8 8 ；l o n g 等，1 9 9 4 ) 。光抑制是高等植物光合作用过程中较为普遍的现象，多数c 3 植物， 如黄瓜( 曾纪睛等，1 9 9 7 ) 、姜( 张振贤等，2 0 0 0 ) 在强光下都有一定的光抑制现象。在自然条件 下往往是多种环境胁迫并存，如低温、高温、干旱、营养亏缺、盐渍等胁迫，植物在中等光强下 也会发生光抑制。 光抑制存在两种情况，一种是引起光抑制的胁迫因素去除后，光合功能很快( 大约l 小时) 可以完全恢复。这种光抑制主要是光合机构通过叶黄素循环或反应中心的可逆失活等过程耗散过 剩光能的反映，不需要d l 蛋白的重新合成。在只有强光一种胁迫因素存在的自然条件下，植物 的光抑制大多属于这种情况。另一种则是，引起光抑制的胁迫因素去除后，光合功能往往经过数 小时甚至几天才能完全恢复。这种光抑制主要是光合机构特别是反应中心的d 蛋白组分受到破 坏的结果，需要d l 蛋白的重新合成( t q 大全，1 9 9 7 ) 。 1 植物光合作用的光抑制 1 1 光抑制的作用机理 许多研究表明，强光下对光台机构造成损伤的主要是活性氧和些其它氧化物质。主要产生 部位是光系统的捕光色素复合体( l h c ) ，p s i i 反应中心和p s i 受体侧( n i y o g i ，1 9 9 9 ；p r a s i le ta 1 1 9 9 2 ) 。 叶绿素分子吸收光能后转变为单线激发态( 1 c h l ) ，激发能在叶绿素分子间以诱导共振形式传 递。在激发能到达反应中心之前。1 c 柚可能形成三线态 t 绿素( 3 c h l ) ( f o y c r 和h a r b h s o n ，1 9 9 9 ) ，3 c h l 能够与0 2 反应生成有害的单线态氧( 1 0 2 ) 。 而光合机构的光抑制主要发生在p s i i 。按照光抑制发生的原初部位不同可分为受体侧的光抑 制和供体侧的光抑制( b a k e r , o f t , 1 9 9 2 ；b a r b e r , a n d e r s s o n ，1 9 9 2 ；p r a s i le ta i ，1 9 9 2 ) 。受体侧的光抑 制是由于c 0 2 同化受阻，质醌库完全还原，稳定的还原型q a 很快积累。还原型o a 积累促进了三线 态p 6 8 0 ( 3 p 6 8 0 ) 的形成，而三线态p 6 8 0 和0 2 发生电荷交换产生单线态氧( 1 0 2 ) 。供体侧的光抑制 主要是在强光条件下，p s i i , 叭供体侧接受电子的速率远远低于向受体侧提供电子的速率，放氧复 合物不能很快地将电子传递给反应中心，a 而延k t p 6 8 0 + 的寿命周期。1 0 2 和p 6 8 0 + 都是强氧化剂， 可以破坏附近的色素分子和d l 蛋白等，对p s i i j 告成伤害( b a r b e r 和a n d e r s s o n ，1 9 9 2 ：p r a s i le ta l 。 中国农业大学博士学位论文 第一章文献综述 1 9 9 2 ) 。前一种情况依赖于氧，而后一种情况在无氧条件下也可以发生。 p s i 的受体侧具有很低的氧化还原电势，可以通过f d 还原将电子传递给分子氧，氧被还原为 超氧自由基( 0 2 - ) ，再经水合成反应生成h 2 0 2 和羟基自由基( o h ) ( a m e se t a l ，1 9 9 3 ) 。由 于活性氧的攻击致使膜脂过氧化从而发生光氧化伤害。 1 2 光抑制的主要特征 光抑制是高等植物光合作用过程中的普遍现象，其主要表现形式为p a 、a q y 、p s i i 光化学 7 效率( f v f m ) 下降。强光照射后在短时间内能恢复的光抑制，即p s i i 光化学效率的下调。而严 重的光抑制是对光合机构的破坏。d e m m i g - a d a m s ( 1 9 9 0 ) 认为f 0 下降是非光化学能量耗散增加 造成，而f 0 的升高则是光合机构受到破坏的结果。而其它环境胁迫同时存在加重了光抑制现象。 2 光抑制的保护机制 在自然条件下，尤其是午间强光往往会导致植物发生光抑制现象，因此植物在长期进化过程 中形成了多种保护机制进行防御，如许多植物在强光照射下通过改变叶片的受光角度，叶绿体运 动等避免强光的直射( b j o r k m a n l i d e r a m i g ，1 9 9 3 ；p o w l e s ，1 9 9 0 ) ，有的则通过蜡质层的增厚增加对 强光的反射( r o b i n s o n 雨3 0 s m o n d ，1 9 9 4 ) 。植物体内除了这些生理特性的变化以外，还存在其它的 保护机制，如光呼吸，热耗散，活性氧清除系统等，下面进行详细介绍。 2 1 光呼吸和m e h l e r 反应 光呼吸是植物绿色组织在光下与光合作用相联系而发生的吸收氧，释放c 0 2 的过程。光呼吸 对于保持一定的电子传递速率和消耗激发能具有重要作用。但光呼吸并不是完全耗能的生理过 程，o s m o n d ( 1 9 8 1 ) 认为，光呼吸消耗了多余的能量，对光合器官起保护作用避免发生光抑 制。在生姜体内，过剩光能越多，姜的光呼吸速率越高，促进乙醇酸循环的加快，耗散多余的能 量。用光呼吸促进剂甘氨酸处理姜叶片，可以提高a q y 、f v f m ，促进光合作用。而用光呼吸抑 制弃啦n a n s 0 4 处理叶片，a q y 、f v f m 降低，p n 也随之下降( 赵世杰等，1 9 9 9 ) 。郭连旺等( 1 9 9 5 ) 对棉花叶片研究表明，在普通空气和强光下，棉花的光呼吸不仅耗散多余的能量保护光合机构， 而且还通过光呼吸的乙醇酸循环促进无机磷的周转，缓解磷不足对光合作用的限制，因而通过将 光台能力维持在较高的水平间接保护了光合机构。因此强光下光呼吸提高虽然在一定程度上降低 了光合速率t 但对保护强光下光抑制对光合机构的破坏起重要作用。 0 2 从光合线型电子传递链中的还原铁氧还原蛋白，分流激发态电子还原成0 2 j 即m e h l c r 反 应。所产生的0 2 讨细胞有毒害作用。但这一过程如与超氧物歧化酶( s o d ) 及抗坏血酸过氧化物酶 ( a s a - p o d ) 等反应相偶联，则可消除这种毒害并可在同化力过剩的情况下维持一定的光台电子流， 以减轻过剩光能对光合系统造成的毒害( d m 商g _ 枇卿a d s ，1 9 9 4 ) 。 2 中国农业大学博士学位论文 第一章文献综述 2 2 热耗散 光作为植物最重要的能量来源，通过光台作用把光能转变为化学能贮存于体内。当光能过量时 植物体必须避免光台作用反应中心的过度激发而引起的光合机构光氧化损伤。在正常情况下，植物 光合机构吸收的光能有三种去向：一是通过光化学能量转换，即通过光合电子传递链生成j t p 和 n a d p h 2 ，为暗反应提供同化力低光强下( 植物饱和光强以下注要用于此过程；二是一部分能量 以荧光发射的形式消耗掉( 这部分占消耗能量的比例很小) ，约为3 - 5 ；三是剩余能量以非辐射能 量耗散掉，为主要耗能方式。三者之间存在相互竞争的关系，但在强光下热耗散是防御光合机构 的破坏的主要形式。热耗散的增加主要是依赖于类囊体两侧的质子梯度( p h ) 加大和叶黄素循 环的启动。强光下，类囊体膜两侧的p h 加大，触发l h c 将过剩的激发能以热的形式耗散。这 种依赖类囊体两侧的a p h 变化增加热耗散的形式是植物保护光合器官避免光氧化的主要保护机 制，以叶绿素荧光参数n p q 衡量( g e n 毋e ta l , 1 9 8 9 ，1 9 9 0 ) 。 强光下当植物吸收的光能超过其所能利用的量时，就会导致光抑制，甚至对光合机构造成破坏， 因此植物在进化过程中为保护光台机构，耗散多余的能量产生多种保护机制，而非辐射能量耗散， 最主要是依赖叶黄素循环的能量耗散过程成为防御光强对光合机构的破坏的主要形式( h i e b e r 等， 2 0 0 4 ；g i l m o r e 和y a m a m o t o ，1 9 9 2 ) 。叶黄素循环广泛存在于高等植物、蕨类、苔藓和一些藻类植物 中，位于类囊体膜上( d e m m i g 和a d a m s ，1 9 9 2 ；s c h u b e r te ta l ，1 9 9 4 ；s n a n s k y 和h a g e r , 1 9 7 0 ) 。近年来 对叶黄素循环的生化特性，其在光破坏防御中的作用，关键酶的调节等研究取得了一定的进展。 2 2 1 叶黄素循环 叶黄素循环有三个组成成分：紫黄质( v i o l a x a n t h i n ，v ) 、环氧玉米黄质( t l l e r a x m 山i n a ) 和玉米黄质(