硅及其吸收基因Lsil调节水稻耐UV-B辐射的作用.pdf

作物学报A C T AA G R O N O M I C AS I N I C A2 0 1 1 3 7 6 1 0 0 5 1 0 1 1 I S S N0 4 9 6 3 4 9 0 C O D E NT S H P A 9 h t t p w w w c h i n a e r o p s o r g z w x b E m a i l x b z w e h i n a j o u r n a l n e t c n D o I 1 0 3 7 2 4 S E J 1 0 0 6 2 0 1 1 0 1 0 0 5 硅及其吸收基因L s i l 调节水稻耐U V B 辐射的作用 方长旬王清水余彦黄力坤吴杏春林文雄8 福建农林大学生命科学学院农业生态研究所 福建福州3 5 0 0 0 2 摘要 硅能提高植物对生物和非生物胁迫的抗性 水稻是吸收硅较多的作物之一 本研究以U V B 耐性水稻L e m o n t 和U V B 敏感水稻D u l a r 及其转硅吸收基因 L s i l 的水稻为材料 研究硅与水稻耐U V B 辐射的关系 结果发现 自然 光照条件下 缺硅培养的U V B 耐性水稻L e m o n t 和U V B 敏感水稻D u l a r 叶片的苯丙氨酸解氨酶 p h e n y l a l a n i n e a m m o n i al y r e P A L 和光裂解酶 p h o t o l y a s e P L 基因的表达以及总酚 类黄酮的含量都分别低于加硅的处理 U V B 辐 射后 上述指标在不同硅处理的两水稻中都增加和增强 但缺硅培养的水稻仍显著低于加硅培养的水稻 进一步分别 以L s i l 被抑制 增强的两种转基因L e m o n t 水稻 以及厶订增强的转基因D u l a r 水稻为材料 采用加硅培养的方式对 转基因水稻的上述指标进行研究 结果也发现 抑制水稻厶订基因表达 其叶片P A L P L 基因表达也下调 总酚 类黄酮含量降低 此结果与缺硅培养下的野生型植株相似 增强表达厶f J 基因则结果相反 U V B 辐射后 上述指标 也增强和增加 但在相同的水稻品种中仍表现为厶f J 被抑制的植株最低 厶i J 增强的植株最高 研究结果表明 通过 调节水稻厶f J 能够改变水稻耐U V B 辐射的能力 关键词 硅 硅基因 水稻 紫外线B S i l i c o na n dI t sU p t a k i n gG e n eL s i li nR e g u l a t i o no fR i c eU V BT o l e r a n c e F A N GC h a n g X u n W A N GQ i n g S h u i Y UY a n H U A N GL i K u n W UX i n g C h u n a n dL I NW e n X i o n g I n s t i t u t eo f A g r o c c o l o g y S c h o o lo f L i f eS c i e n c e s F u j i a nA g r i c u l t u r ea n dF o r e s t r yU n i v e r s i t y F u z h o u3 5 0 0 0 2 C h i n a A b s t r a c t S i l i c o n S i h a sb e n e f i c i a lf u n c t i o ni ne n h a n c i n gp l a n tr e s i s t a n c et ob i o t i ca n da b i o t i cs t r e s s e s R i c ei sat y p i c a l S i a c c u m u l a t i n gp l a n t I nt h i sr e s e a r c h U V Bt o l e r a n tr i c ea c c e s s i o nL e m o n t U V Bs e n s i t i v i t yr i c eD u l a ra n dt h e i rl o ws i l i c o n r i c eg e n e1 厶订 t r a n s g e n i cl i n e sw e r eu s e dt oe x p l o r et h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns i l i c o na n dr i C eU V Bt o l e r a n c e I tw a sf o u n d t h a tr i c ec u l t u r e di nS i d e f i c i e n c ys o l u t i o nh a dl o w e rg e n et r a n s c r i p tl e v e l so fp h e n y l a l a n i n ea m m o n i al y a s e P A L p h o t o b r a g e P L a n dl o w e rc o n t e n t so ft o t a lp h e n o l i c sa n df l a v o n o i d si nl e a v e st h a nt h a ti nS i c o n t a i n i n gs o l u t i o n 1 1 1 es a n l et e n d e n c yW a s f o u n di nt h ec a s ew h e nt h er i c ea c c e s s i o n sw e r es u p p l e m e n t a r i l ye x p o s e dt oU V Br a d i a t i o n a l t h o u g hb o t hg e n ee x p r e s s i o nl e v e l a n da n t i o x i d a n t sc o n c e n t r a t i o n sw e r ei n c r e a s e d F u r t h e r L s i l s u p p r e s s e do ro v e r e x p r e s s e dt r a n s g e n i cr i c el i n e so fL c m o n t a n d L s i l o v e r e x p r e s s e dt r a n s g e n i cr i c el i n eo fD u l a rw e r ea l S Od e t e c t e di nt h es a m et r e a t m e n t s 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tg e n et r a n s c r i p t l e v e lo f 助La n d 儿W a gi n c r e a s e di n 厶f J o v e r e x p r e s s e dt r a n s g e n i cl i n e b u td o w n r e g u l a t e di n 厶f 一R N l i n eo fL e m o n ta s c o m p a r e dw i t ht h e i rw i l dt y p e sr W 了1u n d e rn o r m a ll i g h tc o n d i t i o n T h ee x p r e s s i o nl e v e lo ft h et w og e n e si na l le n t r i e sW a se n h a n c e da f t e rU V Br a d i a t i o nt r e a t m e n t a n di tW a st h eh i g h e s ti l lL F f J o v e r e x p r c s s e dl i n eo fL e m o n t f o l l o w e db yt h e i rW La n d l o w e s ti nL F i J R N 越l i n e 1 1 1 es a m et e n d e n c yW a sa l S Of o u n di nt h ec o n t e n to ft o t a lp h e n o l i c sa n df l a v o n o i d s 7 n l es i m i l a rr e s u l t s w e r ef u r t h e rc o n f i r m e di nt h eo v e r e x p r e s s i o n0 f 厶 i nD u l a r mf i n d i n g ss u g g e s t e dt h a tr i c eU V Bt o l e r a n c ec o u l db ee f f e c t i v e l ym e d i a t e db ye n h a n c i n g i n h i b i t i n ge x p r e s s i o no f L F f J K e y w o r d s S i l i c o n 厶妇 R i c e O r y z as a t i v aL U l t r a v i o l e t B 紫外 U V 一B 辐射增强 C 0 2 含量增加 气温升 高等未来气候变化趋势均严重影响农作物生产 其 中 因氟氯烃等排放破坏臭氧层所导致的U V B 辐 射增强更是引起了科学界的广泛关注 卜2 1 U V B 辐 本研究由国家自然科学基金项目 3 0 9 7 1 7 3 7 教育部高等学校博士点专项科研基金项目 2 0 0 9 3 5 1 5 1 1 0 0 0 9 和福建省自然科学基金项目 2 0 0 9 J 0 1 0 5 5 的资助 通讯作者 C o r r e s p o n d i n ga u t h o r 林文雄 E m a i l w e n x i o n 9 1 8 1 1 6 3 c o r n T e l 0 5 9 6 8 3 7 3 7 5 3 5 R e c e i v e d 收稿日期 2 0 1 0 1 2 0 8 A c c e p t e d 接受F I 期 2 0 1 1 0 3 0 8 万方数据 1 0 0 6 作物学报 第3 7 卷 射增强对植物的生长发育影响严重 可从分子 个 体 种群 群落等不同层次影响植物正常的形态结 构和生理功能 3 2 1 研究表明 U V B 辐射胁迫会导 致作物形态和遗传物质结构发生变异 光合色素严 重破坏 光合作用能力下降 甚至导致植株死亡 进 而间接危及人类生存 1 3 1 5 水稻作为重要的粮食作 物之一 也是现代生物学研究的一种模式植物 通 过研究栽培调控方式提高水稻防御U V B 辐射能力 具有重要意义 硅是地壳表面第二大丰富元素 也是植物所需 的重要元素 硅能够通过强化植物细胞壁 激活防 卫机制以适应各种非生物因子的胁迫 包括盐分 重金属毒害 养分不平衡 干旱 辐射 高温 冻 害以及u V 等 l 昏1 7 1 水稻是吸收硅较多的作物 茎 叶中一般含有1 0 2 0 的二氧化硅 而水稻体内硅 酸含量约为氮的1 0 倍 磷的2 0 倍左右 1 8 硅在提 高水稻产量和抗逆性等方面均具有重要作用 水稻 施用硅肥能增强抗倒伏能力及其对病虫害的抵抗能 力 改善株型 提高光能利用率 减少叶面蒸腾失 水 提高水分利用率 并有增产和改善品质的作用 而缺硅水稻茎秆细长软弱 易倒伏和感染病害 此 外 不同水稻品种吸收硅营养能力的强弱可能是导 致其对环境响应差异的一个原因 吴杏春等 l9 研究 发现 抗性差异的2 个水稻品种叶片表面的硅质乳 突累积数量与水稻适应U V B 辐射的能力呈正相关 认为硅质体的累积特性是水稻对U V o B 辐射胁迫的 一种适应机制 L i 等 2 叫用缺硅与正常营养液处理离体水稻叶后 分别进行U V B 辐射处理 结果发现缺硅培养的水 稻叶片表面出现明显的棕色伤害斑点 而加硅培养 的叶片未出现伤害症状 同时加硅的水稻叶片酚类 物质增加 酚类 黄酮类次生代谢物能吸收并有效 降低进入植物组织内的U V B 辐射通量 从而使植 物免受U V B 伤害 被称为植物 内部的过滤 器 1 2 1 2 2 水稻主要通过侧根吸收硅 此过程中 如硅吸 收基因 L o ws i l i c o nr i c e1 L s i 受抑制 则水稻对硅 的吸收能力大大减弱 2 3 1 因此 通过研究U V B 辐 射下 不同硅营养及硅吸收能力水稻的酚类次生代 谢及D N A 修复基因的表达 能够为寻找有效的栽培 调控技术提高水稻耐U V B 辐射提供依据 据此 本研究通过分析U V B 辐射前后 各供试 水稻的酚类及相关基因的变化 探讨硅及其吸收基 因对水稻耐U V B 辐射的调节作用 1 材料与方法 I I 供试材料 U V B 耐性水稻L e m o n t 和U V B 敏感水稻 D u l a r 1 9 2 4 以及L s i l 分别被抑制和增强表达的转基 因L e m o n t 厶f J 增强表达的转基因D u a l r 已经证明 厶f J 被抑制转基因水稻的根系硅吸收能力显著下降 厶f J 增强表达的转基因水稻则显著增强 2 5 1 1 2 材料种植 试验于福建农林大学农业生态研究所的网室及 室内实验室中进行 供试水稻种子经浸泡 催芽后 播于秧盘 待二 叶一心期时 挑选长势均匀的幼苗 分别移栽至装 有1 0L 完全营养液 2 州的塑料盆 4 5c m x 3 5 c m x l 5 c m 每1 0L 营养液含2g 硅酸钠 每个塑料盆上漂 浮一均匀打有5 x 8 孔的塑料泡沫 选取各株系中发 芽一致的幼苗依次播于嵌有海绵的孔上 恢复培养 7d 后 挑取长势一致的各品种水稻植株 重新种植 于塑料盆中 加入新鲜配制的完全营养液 3d 后取 水稻根系 用于厶f J 基因的表达分析 U V B 处理水稻时 水稻培养条件同上所述 其 中缺硅处理的水稻培养于仅不含硅素营养的水稻完 全营养液中 参照F a n g 等 2 4 1 的方法照射U V o B 三 叶一心期将试验水稻分为对照和处理2 组 对照组 在自然条件下生长 处理组上方悬挂有5 个U V B 辐 射灯 4 0W 北京电光源研究所生产 灯管用0 1 m m 醋酸纤维素薄膜 W e s tD e s i g nP r o d u c tC o L t d 英国 包裹 以消除U V C 的影响 处理期间不断调 整灯管的高度与植株叶片顶端保持3 0c m 不变 处 理时间为每天的9 0 0 1 6 0 0 处理与对照均设3 个 重复 连续处理7d 后分别取不同处理的各种水稻 叶片 用于基因表达分析及总酚 类黄酮含量测定 1 3 水稻总R N A 的提取及基因表达分析 采用T R I z o l 法分别提取水稻根系和叶片的总 R N A 参照T a K a R a 公司E x S c r i p tR Tr e a g e n tK i t 说 明书合成单链c D N A 根系总R N A 逆转录合成的 c D N A 作为厶f J 基因表达分析的模板 叶片总R N A 逆转录合成的c D N A 作为P A L 儿基因表达分析的 模板 半定量R T P C R 的参数为9 5 C 预变性1r a i n 9 4 3 0S 5 2 3 0S 7 2 3 0S 3 2 个循环 7 2 C 延伸 5m i n P A L 及P L 基因的引物分别为P A L F 5 G C G A T C G G T A A G C T C A T G T T 一3 P A L R 5 C C T T G A A 万方数据 6 m K q j 日L s i l 口m mU V B 月 G C C G T A G I C C A A G 3 P L F 5A C T A T C G C C A G a G II i G C 3 P L R5 1G A C A r G C C C G T G G T l l C G 3 1 山标基凼为肌动蚩l I d A c t l n 引物l f 州为 口A c t i n F 5 C T G C G G G T A T C C A T G A G A C T3 m A c l i n R 5 G C A A T G C C A G G G A A C A T A G T3 1 4 水稻总酚 类黄酮的测定 采用幅林试剂比色洲定总酚 采用氯化铝硝陵 钠比色测定粪黄酮 取Ig 水稻叶H 剪井 2 4 t 条 件下用2 5 mL I 古I H C I 的甲醇浸提2 4h 并重复 2 救过滤 瞎液于40 0 0 g 离心I5 r a i n 取上清液 定容i1 0 0m L 4 保存糌用 用含1 H C I 的甲醇 E E 置系列漱度梯度的挫食子酸作为标准溶液 分 别取05 m L f t 测样品 标准溶液 05 m o lL 的福林 试剂0 5m L 混合7 5g l 饱和碳酸钠溶液巾希幔膻 2 3 a 育2h 7 6 5 t i m 下测定啦收值 每I I l Og 鲜 u I 片含有的总酚量计箅样品总酚音量 用卉1 H C I 的甲耐配置一系州浓度梯度芸香 昔溶陂作为标准被 分别取05m l 的待测样 世标 准液加 含2 m L 蒸水和5 的N a N 0 20 I5m L M 匀 静拦5 r a i n 后加人1 0 的A I C I 6 H2 0u I5m L 静置5m i n 加 Im o lL 的N a O H 溶液1m L 充 分混合静置I5r a i n4 I5n m 下删定啦收值 每 1 0 0g 鲜n 片含有的楼黄酮懂计算样品娄黄闻含量 1 5 数据分析 采 D P S 软件行分析实验所得的数据 采川 L S D 法椅骑小同处坪之问的显著性差异 2 结果与分析 2 1 不同转基因水稻殛其野生型根系L I i l 基因 的表选量 野生倒I I e m o n t 的根系的L f 丧选较 f 生 W D u l ar 高 小同转基囚水稻根柔的 f 丝 表逃耻 仃在差异 现为I A i l 被抑制的转基周L c m o n t M 其 野生呷r 低而厶l 增强击达的转塾田L e m o n t 则比野 t n 高L s i l 增强表逃的转坫幽D u l a r 水稻也比菇野 生唰商此结果结合前期对转牡因水稻硅吸收和硅 含量的删定结果说明通过L s i l 能够有效调控水稻 的硅吸收 此外转基H 的对照组与各自未转基因 的野牛型水稻相比其L s i l 基冈的表达量术发生叫 变化 冈1 9 2 嚣慕鬻 8 嬲 黑撼器墨眷怒 L t i N 2L s i ld 1 4 w m lt 目 n t 4 t I WL e m o m m 5 t 4 口I 训 目6 L f f B 5 WD u l a r 7 ldD u l a r L i l n 女B 目D u l ur x f M f o p p r es s n s 2 i cr ic m f n E2 i l u x p r d t r d s g c n I rn r e l i n e Ro f I m o n t t w l I d t y p eo f L n t 4 C o l t r o o fL s i ls u 口D r c s s f d l r a n s c l 幽 口I C o n u o fL s i o x p m e dr a 口 E c n cL n I RL s i l o x p c d I r n n 5 9 u c n e e I i l e sor I l a t7W I dP co fD u l a r 8 C1 m o fi l t v e r c x 口r d t H n s e n D1 a t 2 2 U V B 辐射下不同硅营养条件下野生型 I n t D u l a r 的P A L 殛P L 基因的表达变化 进步榆测不l q 硅营养F 野牛 水榴的P A L 及 P L 舯基因击进结果发现缺砘培养的 f 生型L c m o n l 厦D u l a rn i 计的P A L 及尸L 的基因表达量都分别低于 其正常鲫硅苻养条件 U V B 辐月忻 2 种营彝条件下 的水稻 片的P A L 灶扎基因均增强表达但其在缺 硅培养下的表达量仍低干l E 常硅营养条件 阁2 说明 砷营养能够提高水稻P A L 豆P L 基斟的嵌达 h ID u l 口 目2U vB q TT 目 t T 目 dL n tD o l a r P A l P 目 t F I g 2 S e m i t q t l I R TP C Ra n n l y s i s f o r P A La n dP Lc p i o n I n k m o n la n dD u l a ru n d t rd i f f e r e n lS ic o a d i t i o a s w h e n I h e y c x D o s e d t oU V Br a d l a l l o n 15 自 口 T n 镕 26D VB m T 镕 j f I 月 T M 6 47U VB 9 JF m R 镕 I5S ld e f i c i e n c yL I I I d e fn o r m a l l i g h lc o n d h i o n 2 6S id e f i c i e n c yu B d c r U VBr a d i a t i o n 3Hs s u p p l e m e a iu I l d e r I t a l l i g h lc o n d l IL o I I 4 7S l u p p u n d U VBm d l a l o n 万方数据 2 3 U V B 辐射下加硅营养的不同转基因水稻 殛其野生型的P A L 殛P L 基因的表达 在自然光照条件rm 常硅舜养条件下的厶 被抑制的转基州L e m o n t 水稻叶片P A L 和甩堆目表 达量也低于相同条件F 的野啦型L n t 水稻而 厶f 增强袅达的转纂困L c m o n LD u l a r 水稀的 片 P A L 和P L 墓吲州分圳高干柯 条件下的野生趔床 稻 U V B 辆9 t 后 各水稻l 1 片的P A L 和P 琏因均 增强哀达但2 个基囚的表达量在L s i l 增性表达的 水稻中最高 n f 被抑制的水稻中表达证皿低 阿 3 h 此结粜 小l 寸哇许养条件F 的野生戳辑I 似i 兑明 遥过弼节水辅根系h t I 魑I N 也能够凋栉U l 片P A L 及 P L 等功能肚W 的丧边 2 4U V B 辐射下 不同水稻殛其野生型叶片总 酚曩类黄酮含量 缺辞采件F 野生增L c m o n l 叶J 的总瞬 类越南 禽量升别为每I 呻g 鲜l 2 07 7 m g 和8 3 1m g u 并 慨干正常硅营柞条件下的野 E 型L c l m 常硅营养兼什Fh f 被抑制纳转摹斟h I 叶片的总酚类静韵含量井制为每1 0 0g 鲜n l2 37 9 g 和8 Im g 也显著低于正常硅营养条件F 的野啦 L e m o n t I n I 正常硅营养条件FL s i l 增强表选k n l O f l 水稻叶片的总酌类黄喇则显著高于榭同条件下的野 型I I 韭古量分别为每1 0 0g 鲜叶2 93 1 g 和 1 1 0 2 哗 U V B 辅射后 各水稻叶片的总酗类黄酮 含量均增加 但缺硅条件下野生型I t e m o N 成正常硅 营养条件下1 f i l 被抑制柏转基因L c m o n t 水端叶片中 的总珩樊黄酮古母仍显著低于l F 常硅营葬条仆下的 野小刷L c t 而证常硅营柞条件Fh i 增强表达 L c m o m 水稻U l 的总限 类黄酮则娃格离f 野啦型 k m o R 分别为辞1 0 0g 鲜叶3 44 7 m 2 和12 1 8n l g 对 相同处弹F 的转垂吲D u k r 水稽厦其野生型舯总附和 类黄酮嗣定也徘到杯似的钻粜 丧1 1 此结果说明L I i l 能够调控水稻q 片总酚类黄酮的含量 L 州 m I 目3U V B 辄W T m t m 十月 P A L 儿 目 4 3G 岬r 帽如k 咄o f P A L a n d P L I d i f f m m刚k H m a n d w i d e q F 日 B H 州 U V Br a d 圳o n I 自 目 F b 28 自 l I FL i l n 女8 目 3 I 自 t r j t 镕 4U V U 宥JF t 目m 镕57 l J u R g TJ J a 女t m 镕 6 u v8 F 目m 十 l r o n t or i c e l n d c rn o r m a l l i g h tc o a d i t i o n 2 t o x p s s 1 r a n s g e n l c c e l l n U B d c F r m a l lo g c o u d i o 31 0 w l l dr i p eu n d c m a l l i g h tc o n d h h m 4 s u P p 删Ir a ns g e n l cr i c eJ n rU VBr a d i a t i o n 5 t7L s i lo v e f c l p r d r a n t t n I cr I c c l i a c su n d c rU VBr a d l B l l o n 69W 1 d t y p eu N d c FU VB t a d i a l i o n l U v B q T 目 目女 R e H 3 T a b l c lv r l u o I nh P m I l n D n t t n B n d m n z c n k H c n dw i d e H 眦 I o n I nn o m l I L h lc o n d l t i e x p c d I oU VB m d l t I o n m g I g F w l m m j 目女 4 m t 自 R i c ea c c e s I o o f a D l cr I c c I l n c c n n t c n l o fp h c n o l i c s o n c n lo f f l a v o n o i d s 伽mW i d e I S iU V B 2 07 7 日2 4h l 1 2 f W i t y S iU V B 2 0 6 02 Rg9 1 3c W i d c t y s iU V B 2 59 6 02 6c1 0 1 0 1 0d W i d c w p cs r o v B 2 1 5 1 0 2b5 5 1 0b h t IR N A i I V B2 37 9 02 8 fR l l l l f t R N A iU V B 2 75 3 02 1d9 t1 9c b f Io x n r c s s I o n U V B2 93 I d L 2 9 t1 10 2 0 Inc b j o x D r c o nU v B j 7 2 03 4a1 2 IB 4a D u l rW i d c l y p e5 iU V B J 5 9 2 4 2 7c6 0 5 f 州d e t y p e5 i U V B 2 16 3 2 9d72 6 0 I Oc W i d t t y 9 es i U V B2 74 5 土02 7c79 0 目0 5d W i t 删S iU V B2 9 1 7 2 8 l lc t p r c i o nU V B 2 79 9 02 5c9 3 0 I Rh f Iq c m l D m i U V B 2 I I 3 0au9 4 00 3m f 目m q o 女i n 月o0 日 M 腭0 I 5 l V R I s f o I l o w b yd i f f c r c m l t t t s i g n i f i c a n t l yd 瓜m m P s D0 5 万方数据 第6 期方长旬等 硅及其吸收基因厶f J 调节水稻耐U V B 辐射的作用 1 0 0 9 3 讨论 当前的农业生产过程中 有效的栽培调控技术 是提高作物抗逆境能力的主要方法 近年来 现代 生物学的研究技术不断发展与成熟 运用现代分子 遗传学方法培育高抗逆境能力的作物品种成为农学 研究的新热点 但相关技术的运用则依赖于研究人 员对逆境下植物的响应机制及其调控机理的深入揭 示 作物生长发育过程中 多种矿质元素不仅能够 促进作物生长发育 而且能够提高作物对逆境的适 应能力 2 8 1 其中 硅能够沉积在植物的细胞壁增加 组织的机械强度 从而调节不同环境下植物的生长 适应能力 水稻是典型的喜硅作物 硅能提高水稻的抗逆 能力 其中包括抗U v 等 1 6 1 7 在维管作物中存在 两种抗U V B 辐射的主要机制 一种是屏蔽U V B 辐 射 即植物体中存在的酚类 黄酮类化合物能够吸 收U V B 辐射 2 9 1 另一种为修复U V B 伤害 3 0 1 其 中 植物酚类 黄酮类化合物 木质素等植保素产 生于的植物的苯丙烷代谢 并受关键酶P A L 所调 控 3 1 1 研究表明P A L 基因在U V o B 辐射下的燕麦 地黄等植物中均增强表达 说明该基因参与不同植 物对U V B 的防御反应 3 2 3 3 1 笔者前期研究也发现 U V o B 辐射下 不同耐性水稻品种的P A L 基因表达均 增强 且其在U V B 耐性水稻中的增强幅度更大 因 而认为P A L 基因参与调节水稻耐受U V B 辐射的能 力 2 4 1 本研究进一步发现 自然光照条件及U V B 辐射下 缺硅条件下的野生型L e m o n t D u l a r 水稻叶 片P A L 基因表达量均低于正常硅营养条件的 L e m o n t D u l a r 水稻 总酚 类黄酮含量也显著低于 正常硅营养条件的L e m o n t 水稻 说明硅营养能够调 节水稻的耐U V B 辐射能力 水稻根系吸收硅养分 由相应的功能基因所编码的蛋白介导 2 3 1 正常硅营 养条件下 根系厶f J 被抑制表达的转基因L e m o n t 水稻叶片的P A L 基因表达较其野生型植株也发生下 调 总酚 类黄酮的含量显著下降 这与缺硅培养的 野生型植株相似 说明抑制根系厶f J 基因表达的效 果与缺硅培养方式相似 将导致水稻防御U V B 辐 射能力减弱 与之相反 I J i l 增强表达的L e m o n t D u l a r 转基因水稻叶片的P A L 基因表达增强 总酚 类黄酮含量显著增加 能够增强水稻耐U V B 辐射 能力 U V B 辐射后 两种不同厶f J 表达水平的水稻 叶片的P A L 表达上调及总酚 类黄酮含量增加 但 厶f J 表达受抑制的转基因水稻仍显著低于相同条件 下的野生型植株 而L s i l 过量表达的转基因水稻却 显著高于其野生型植株 说明通过厶f j 调控水稻对 硅营养的吸收 进而能够调节水稻屏蔽U V o B 能力 植物通过光裂解酶 p h o t o l y a s e P L 能够修复 U V B 的伤害 U V B 辐射导致同一条D N A 链上相 邻的嘧啶以共价键结合 形成环丁烷嘧啶二聚体和 光产物 导致D N A 损伤 此损伤能够被经过光激活 的P L 所修复 此过程中儿特异性识别U V B 造成 的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体 并与其结 合 并在3 0 0 6 0 0a m 波长的光照射下激活此酶将二 聚体分解为两个正常的嘧啶单体 修复后该酶从 D N A 链上释放 D N A 恢复正常结构 因而此修复也 称为光修复 并存在于多种植物中 3 4 1 H i d e m a 等 3 5 研究发现 提高P L 活性能够有效减轻U V B 对水稻 的生长抑制作用 本研究发现 增强表达厶f J 基因 后 水稻叶片的咒基因表达增强 U V B 辐射下 咒 基因进一步增强表达 且其表达量均高于相同条件 下的野生型水稻 说明增强表达厶f J 基因能够提高 水稻对D N A 损伤的修复能力 增强其对U V B 辐射 的耐受能力 当抑制厶f J 基因表达后 水稻叶片的 儿基因表达量下降 U V B 辐射下 其表达量仍低于 同种条件下的野生型水稻 这与U V B 辐射下缺硅 培养的野生型水稻的结果也相似 暗示抑制知f J 基 因表达或缺硅培养水稻修复U V B 辐射所损伤的 D N A 的能力下降 1 w a m a t s u 等 3 6 对1 2 份不同品种 水稻的研究表明水稻对U V B 的耐受能力与P L 活性 呈正相关 说明P L 表达强度高的水稻耐U V B 能力 强 上述结果综合说明厶f J 能够通过调节水稻的硅 吸收强度 进而影响水稻对U V B 辐射的防御能力 4 结论 通过硅及厶f J 均能调节水稻耐U V B 辐射的能 力 外源添加硅或过量表达水稻厶f J 后 其叶片的 P A L P L 基因表达增强 总酚 类黄酮含量增加 水 稻对U V B 辐射的吸收转移及对U V B 伤害的分子 修复能力均提高 与之相反 缺硅培养或抑制水稻 厶f J 基因表达 其叶片的P A L P L 基因表达下调 总 酚 类黄酮含量减少 水稻耐U V B 辐射能力下降 上述研究结果为运用分子遗传学手段提高水稻耐 U V B 辐射能力提供理论依据 R e f e r e n c e s 1 G a n g u l yAR S t d n h a e a s e rl E d e k s o nH IDJ B r a n s t e t t 日M P a r i s hES S i n g hN D r a k eJB B u j aL H i g h e rt r e n d sb u tl a r g 盯 万方数据 1 0 l O 作物学报第3 7 卷 u n c e r t a i n t ya n dg e o g r a p h i cv a r i a b i l i t yi n2 1 s tc e n t u r yt e m p e r a t u r e a n dh e a tw a v e s P r o cN a t l A c a dS c iU S A 2 0 0 9 1 0 6 1 5 5 5 5 1 5 5 5 9 2 B l u m t h a l e rM A m b a c hW I n d i c a t i o no fi n c r e a s i n gs o l a ru l t r a v i o l e t Br a d i a t i o nf l u xi na l p i n er e g i o n s S c i e n c e 1 9 9 0 2 4 8 2 0 6 础 3 T e r a m u r aAH Z i s k aLH S z t e i nAE C h a n g e si ng r o w t ha n d p h o t o s y n t h e t i cc a p a c i t yo fd e ew i t hi n c r e a s e dU V Br a d i a t i o n P l a n tP h y s i o l 1 9 9 1 8 3 3 7 3 3 8 0 4 T e v i n iM T e r a m u r aAH U V Be f f e c t so nt e r r e s t r i a lp l a n t s P h o t o c h e mP h o t o b i o l 1 9 8 9 5 0 4 7 9 4 8 7 5 C a l d w e l lMM F l i n tSD S t r a t o s p h e r i co z o n er e d u c t i o n s o l a r U V Br a d i a t i o na n dt e r r e s t r i a le c o s y s t e m C l i m a t i cC h a n g e 1 9 9 4 2 8 3 7 5 3 9 4 6 T a y l o rRM T o b i nAK B r a yCM T h ee f f e c t so fe n h a n c e d U V Bi r r a d i a t i o no nD N Aa n dr e p a i ri np l a n tt i s s u e JE x pB o t 1 9 9 4 4 5 5 5 7 W uX c 吴杏春 L i nW X 林文雄 G u oY C 郭玉春 K e Y Q 柯玉琴 L i a n gY Y 梁义元 C h e nF Y 陈芳育 E f f e c to f e n h a n c i n gu l t r a v i o l e t Br a d i a t i o no na n t i o x i d a n ts y s t e m si nr i c e s e e d l i n gl e a v e s F u j i a nJ A g r i cS c i 福建农业学报 2 0 0 1 1 6 3 5 l 5 5 i nC h i n e s ew i t hE n g l i s ha b s t r a c t 8 T a n gL N 唐莉娜 nW X Y F 文雄 w ux c 吴杏春 L i a n g Y Y 梁义元 C h e nF Y 陈芳育 E f f e c t so fe n h a n c e du l t r a v i o l e t Br a d i a t i o no ng r o w t hd e v e l o p m e n ta n dy i e l df o r m a t i o ni n r i c e O r y z as a t i v aL C h b JA p p lE c o l 应用生态学报 2 0 0 2 1 3 1 0 1 2 7 8 1 2 8 2 i nC h i n e s ew i t hE n g l i s ha b s t r a c 0 9 A l f a sEA s t aB V i r g a i j u sB P l i e n o g e n e t i cr e s p o n s eo fs i l v e r b i r c hp o p u l a t i o n sa n dh a l f s i bf a m i l i e st oe l e v a t e do z o n ea n du l t r a v i o l e t Br a d i a t i o na tj u v e n i l ea g e E n v i r o nP o l l u t 2 0 0 8 1 5 6 1 5 2 1 6 1 1 0 S i n g hSl S u r a b h iGK G a oW R e d d yKR A s s e s s i n gg e n o t y p i cv a r i a b i f i t yo fc o w p o a V i g n au n g u i c u l a t aL W a l p t oc u r r e n ta n dp r o j e c t e du l t r a v i o l e t Br a d i a t i o n JP h o t o c h e mP h o t o b i o l 曰 2 0 0 8 9 3 7 1 8 1 11 A g r a w a lSB M i s h r aS E f f e c t so fs u p p l e m e n t a lu l t r a v i o l e t Ba n d c a d m i u mo ng r o w t h a n t i o x i d a n t sa n dy i e l do fP i s u ms a t i v u mL E c o t o xE n v i r o nS a f e 2 0 0 9 7 2 6 1 0 6 1 8 1 2 S e h r e i n e rM K r u m b e i nA M e w i sI U l r i c h sC H u y s k e n s K e i lS S h o r t t e r ma n dm o d e r a t eU V Br a d i a t i o ne f f e c t so ns e c o n d a r y p l a n tm e t a b o l i s mi nd i f f e r e n to r g a n so fn a s t u r t i u m T r o p a e o l u m 珊q 7 淞L I n n o v a tF o o dS c iE m e r gT e c h 2 0 0 9 1 0 9 3 9 6 1 3 1C a l d w e l lMM B j 咖LO B o m m a nJ 只F H n tSD K u l a n d a i v e l u G T e r a m u r aAH T e v i n iM E f f e c t so fi n e r e a s e ds o l a ru l t r a v i o l e t r a d i a t i o no nt e r r e s t r i a le c o s y s t e m JP h o t o c h e mP h o t o b i o lB 1 9 9 8 4 6 4 0 5 2 1 4 L iY 李元 Y u eM 岳明 U l t r a v i o l e tR a d i a t i o nE c 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