Effects of Epigenetic Mechanisms on C4 Phosphoenolpyruvate Carboxylase Transgenic Rice (Oryza sativa) Seed Germination Under Drought Stress

为探究干旱胁迫下表观遗传机制对高表达玉米(Zea mays) C₄型PEPC转基因水稻(Oryza sativa)种子萌发的影响, 以转C₄型PEPC水稻(PC)和野生型水稻Kitaake (WT)为试材, 采用10% (m/v)聚乙二醇6000 (PEG6000)模拟干旱条件, 通过单独和联合施用PEG6000、DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷(5azaC)和可变剪接抑制剂大环内酯类(PB)进行种子发芽实验, 测定种子活力、萌发过程中可溶性糖和可溶性蛋白含量、α-淀粉酶活性以及PEPC、糖信号相关基因和部分剪接因子基因的表达。结果表明, 0.25 μmol·L^-1PB处理对2种供试水稻在干旱条件下种子萌发均表现出显著抑制作用, 使干旱条件下种子萌发过程中可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖和果糖含量以及可溶性蛋白含量均有所下降, PB也抑制糖信号-蔗糖非发酵1 (SNF1)相关蛋白激酶(SnRKs)家族和剪接因子丝氨酸/精氨酸富集蛋白家族(SR proteins)相关基因的表达以及α-淀粉酶的活性, 但对PC的抑制作用小于WT。5 μmol·L^-15azaC处理对干旱条件下种子萌发的效果与可变剪接抑制剂相反。5 μmol·L ^-1 5azaC联合PEG6000干旱处理部分减缓了干旱对水稻种子发芽率的抑制作用, 使供试材料发芽率升高, 表明DNA甲基化和可变剪接机制参与了水稻芽期干旱耐性, 其中对PC的作用更大。     

外源Ca2+对PEG处理下转C4型PEPC基因水稻光合生理的调节

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)通过固定二氧化碳参与光合作用, 是关键的C₄植物光合作用酶。为了揭示高光效转C₄ PEPC基因水稻(Oryza sativa)对干旱胁迫的适应机理, 以高表达转C₄ PEPC水稻(PC)和野生型水稻Kitaake (WT)为供试材料, 在植株的4-5叶期, 使用不同浓度外源CaCl₂溶液处理, 测定在15%聚乙二醇6000 (polyethylene glycol-6000, PEG-6000)胁迫下叶片相对含水量、光合参数、内源钙总含量、叶片总蛋白激酶活性、PEPC酶活性以及相关基因表达和蛋白质含量。结果表明, 0.5 mmol∙L^-1 CaCl₂明显提高PC叶片相对含水量(P<0.05), 2 mmol∙L^-1和10 mmol∙L^-1 CaCl₂则作用不显著, 对WT则影响不显著。不同浓度钙处理对PEG处理PC的净光合速率影响不显著, 而通过维持气孔导度减少水分胁迫。内源总钙浓度的数据显示, 在PEG6000处理下, PC具有维持稳定内源Ca²⁺浓度的能力, 过高浓度(10 mmol∙L^-1 CaCl₂)钙处理反而降低了PEPC酶活性、PEPC基因表达和可溶性蛋白的含量。     

脱落酸和己糖激酶抑制剂对高表达C4-PEPC转基因稻苗耐旱性的影响

为了研究高表达转玉米C₄-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC）基因水稻（PC）的耐旱性机制,本研究以PC和未转基因野生型原种kitaake为材料,分别在光照和黑暗预处理24 h,其中光照处理中光强为600 μmol·m^-2·s^-1,预处理后稻苗再在15％聚乙二醇-6000模拟干旱胁迫下,同时使用药理学的方法,通过加入脱落酸和己糖激酶的专一性抑制剂100 μmol·L^-1去甲二氢愈创木酸和10 mmol·L^-1葡萄糖胺,观察两种水稻4~5叶期稻苗耐旱表现。结果发现,与WT水稻相比,在PEG-6000处理后,经过光预处理的PC水稻叶片相对含水量下降较少,始终比WT的高,而且丙二醛含量则较少,脯氨酸诱导增加,表现耐旱;而经过暗预处理后PC植株显著降低这个优势,表明光预处理有利于PC耐旱性的表现;黑暗预处理均显著下调了2供试材料植株叶片中可溶性糖的含量,而对可溶性蛋白的含量影响不显著;而光预处理后PC水稻叶片内可溶性糖含量比WT增加,而在黑暗预处理则PC的显著低于WT的,其中葡萄糖胺对光预处理下PC的可溶性糖含量的下调作用最显著;暗预处理逆转或消除了NO,H₂O₂和钙离子含量变化趋势,这些变化与暗预处理减少了两材料叶片蔗糖和葡萄糖含量变化同步;光暗预处理对两材料的PEPC酶活性的差异影响不大,表明外源玉米C₄-PEPC在水稻中是组成型表达。可见PC叶片可部分通过糖组分,参与内源糖介导ABA和HXK信号途径,缓解干旱处理对叶片的伤害,稳定光合能力。     

外源海藻糖增强高表达转玉米C4型PEPC水稻耐旱性的机制

为揭示海藻糖(Tre)调控转玉米(Zea mays) C₄型PEPC基因水稻(Oryza sativa) (PC)的耐旱性机制, 以PC及其野生型Kitaake (WT)为材料, 通过水培试验, 研究了Tre和12% (m/v)聚乙二醇(PEG)单独或联合处理对水稻生理生化特性的影响。结果表明, Tre处理可促进PC和WT水稻幼苗生长, 缓解干旱逆境导致的植株生长抑制, 但对PC的效应更显著。与DS处理相比, Tre+DS联合处理可维持功能叶较高的相对含水量、光化学效率和抗氧化酶活性。在DS处理下, 与WT相比, 外施Tre可使PC的内源Tre和蔗糖含量显著增加, 而葡萄糖含量显著降低, Tre代谢和SnRK1s相关基因表达量增加; 施用Tre也显著促进了ABA合成、信号转导与干旱响应基因的表达, 和维持较稳定的光合能力, 从而使PC表现更强的耐旱性。     

干旱胁迫下外源钙对石灰岩地区复羽叶栾树种子萌发的影响

以石灰岩生态恢复优选树种复羽叶栾树种子为试材,采用聚乙二醇(PEG6000)设置0%(CK)、5%、15%、25%、30%模拟石灰岩山区不同干旱环境,以CaCl₂设置0(CK)、15、20、25、30 mmol·L^-1为外源钙离子梯度,模拟石灰岩地区的土壤高钙环境,研究不同浓度CaCl₂、PEG及二者交互作用对种子萌发特征的影响.结果表明: 单纯CaCl₂作用下,中低浓度的外源钙对复羽叶栾树种子萌发参数无显著影响,而高浓度的外源钙对种子萌发具有抑制作用,中低浓度CaCl₂可以增加萌发后幼苗的鲜质量.PEG浓度从0%增至25%,各处理组的种子发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数均与对照呈显著递减趋势,幼苗鲜质量明显减小.对各干旱处理组施加一定浓度的外源钙后,中低浓度的CaCl₂可提高种子的萌发特性,而当CaCl₂浓度达到30 mmol·L^-1时,种子难以萌发.PEG浓度达到30%时,种子无萌发.施加一定的外源钙可以提高PEG胁迫下幼苗的鲜质量,使幼苗更加适应干旱缺水的环境.     

赤霉素、钙和甜菜碱对小桐子种子萌发及幼苗抗低温和干旱的影响

小桐子(Jatropha curcas L.)属大戟科( Euphorbiaceae)麻疯树属(Jatropha L.)的能源植物。分别以小桐子种子和幼苗为实验材料,研究了不同浓度的赤霉素和CaCl₂单独处理,以及不同浓度的赤霉素、CaCl₂和甜菜碱组合处理对小桐子种子萌发及幼苗抗低温和干旱的影响。结果表明:分别用10 mg/L赤霉素和10 mmol/L CaCl₂处理小桐子种子,不仅可以提高其在正常萌发条件(26℃)、低温(18℃)和干旱胁迫(5% PEG6000)下的发芽率,还可缓解小桐子幼苗在低温(2℃)或干旱胁迫(25% PEG6000)下电解质渗漏率的增加和丙二醛(MDA)的积累。用10 mg/L赤霉素、5 mmol/L CaCl₂和15 mmol/L甜菜碱组合处理小桐子种子,也可进一步增强其在正常萌发(26℃)、低温(18℃)和干旱胁迫(5% PEG6000)条件下种子的发芽率,以及缓解小桐子幼苗在低温(2℃)或干旱胁迫(25% PEG6000)下电解质渗漏率的增加和MDA的积累,表明10 mg/L赤霉素和10 mmol/L CaCl₂分别处理或10 mg/L赤霉素、5 mmol/L CaCl₂和10 mmol/L甜菜碱组合处理可提高小桐子种子在低温和干旱胁迫下的发芽率,以及提高小桐子幼苗对低温和干旱胁迫的抵抗能力。     

干旱胁迫下华北驼绒藜种子大小及苞片对萌发和幼苗生长的影响

干旱是影响荒漠区植物种子萌发和幼苗生长的关键因素。以多年生强旱生半灌木华北驼绒藜为对象,研究了不同干旱程度(0、100、200、300和400 g·L^-1 PEG6000)下,种子大小及苞片有无对种子萌发及幼苗生长的影响。结果表明: 干旱胁迫显著抑制了种子萌发和幼苗地上部的生长。100和200 g·L^-1 PEG6000处理显著增加了幼苗根长,而300和400 g·L^-1 PEG6000处理显著降低了幼苗根长。与无苞片相比,有苞片使种子的发芽率显著降低12%,发芽指数显著降低50.5%,幼苗的地上部长度显著增加20.8%,幼苗根长显著增加6.3%。种子大小对种子发芽指数无显著影响,但与小种子相比,大种子发芽率显著提高3%,幼苗的地上部长度显著增加20.5%,幼苗根长显著增加33.0%。在干旱条件下,苞片能延缓种子的萌发速度,种子大小能影响后代的存活几率,二者共同影响华北驼绒藜对极端干旱环境的适应性。     

干旱条件下外源蔗糖对高表达玉米C4型pepc水稻种子萌发的影响

为揭示外源蔗糖参与干旱胁迫下高表达转玉米C₄ 型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPC)基因(C₄ pepc)水稻(简称：PC)种子萌发的生理机制,该研究以 PC及其未转基因野生型受体‘Kitaake’(简称：WT)的种子为材料,研究外施不同浓度蔗糖联合模拟干旱(10% PEG 6000)处理下,其种子发芽参数、总可溶性糖及可溶性蛋白含量、蔗糖非发酵1 (sucrose nonfermenting 1, SNF1)相关蛋白激酶(SNF1 related protein kinase 1s, SnRK1s)基因以及PEPC基因表达等参数的变化。结果表明：(1)PEG 6000模拟干旱处理均显著抑制两材料发芽,但明显促进胚根的生长;外施蔗糖则呈现浓度效应,高浓度蔗糖(>150 mmol·L^-1)进一步加剧了干旱对发芽的抑制效应,而低浓度(<30 mmol·L^-1)则可缓解干旱的抑制,但与WT(<30 mmol·L^-1)相比,促进PC水稻萌发的外施蔗糖浓度(<6 mmol·L^-1)更低,且各处理的发芽表现与其α 淀粉酶活性的动态表现一致。(2)与WT相比,外施3 mmol·L^-1蔗糖联合干旱处理下,显著提高了PC种子的发芽率,且伴随PC内源蔗糖含量、总可溶糖和可溶性蛋白含量显著增加;且外施3 mmol·L^-1蔗糖使PC中内源C₃ pepc基因表达下调,而外源导入C₄ pepc基因表达显著增加。(3)与WT相比,干旱处理下外施3 mmol·L^-1蔗糖,PC的糖信号相关基因SnRKs亚家族基因(包括SnRK1s：OsK1a OsK24 OsK35和SnRK2s:SAPK6)的表达也显著增加。研究发现,外施低浓度蔗糖通过上调PC水稻种子中可溶性糖和可溶性蛋白含量,增强SnRK1s亚家族基因和外源C₄ pepc基因的表达,提高了α 淀粉酶活性,从而缓解了干旱胁迫对PC种子萌发的抑制。     

干旱胁迫下拟南芥磷脂酶Dδ与一氧化氮在种子萌发中的信号关系

以拟南芥野生型（WT）、一氧化氮合酶（NOS）缺失型突变体（noa1）、硝酸还原酶（NR）缺失型突变体（nia1,nia2）及磷脂酶Dδ（PLDδ）缺失型突变体（pldδ）幼苗为材料,研究了0.3 mol·L^-1甘露醇模拟干旱胁迫响应过程中PLDδ和一氧化氮（NO）之间的信号转导关系。结果显示：干旱胁迫下NO含量,PLD和NR活性及基因相对表达量显著升高,pldδ和nia2较其他突变体对干旱胁迫更敏感;外源添加NO供体硝普钠（SNP）可以提高干旱胁迫下WT,nia2和pldδ的种子萌发,而外源添加磷脂酸（PA）可以促进WT和pldδ的种子萌发,但不能促进nia2的种子萌发;PA可以促进干旱胁迫下WT和pldδ的NO产生,但不能促进nia2中NO的产生。表明：干旱胁迫下PLDδ/PA位于NO信号的上游,且PLDδ/PA主要通过NR2途径产生的NO促进干旱胁迫下拟南芥的种子萌发。     

外源CO和NO对水稻种子萌发过程中干旱胁迫损伤的缓解效应

选用水稻品种‘Ⅱ优128’种子为材料,以1.0μmol.L-1高铁血红素(Hematin,H)和200μmol.L-1硝普钠(sodium nitroprusside,SNP)分别作为CO和NO供体,采用PEG-6000模拟干旱胁迫,研究外源CO和NO对干旱胁迫下水稻种子萌发和萌发过程中抗氧化能力的影响。结果表明:高铁血红素和硝普钠处理可以显著提高干旱胁迫下水稻种子的发芽率、芽长和根长;同时显著提高种子淀粉酶活性,显著增加其可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量;还不同程度地诱导增强超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性,同时降低质膜相对透性和丙二醛(MDA)含量。研究证实,外源CO和NO可通过调节渗透调节物质含量和保护酶活性来有效缓解干旱胁迫对萌发水稻种子造成的氧化伤害,促进种子萌发生长。     

逆境条件下小麦种子活力与种子萌发相关酶活性及其基因表达的关系

分析不同基因型小麦品种逆境萌发过程中种子萌发相关酶活性及基因表达差异,明确在逆境条件下,种子活力与种子萌发相关酶活性及基因表达量的关系.通过标准发芽试验和逆境(冷浸、人工老化、干旱胁迫)发芽试验,测定4个小麦品种种子活力、萌发过程中可溶性总糖和可溶性蛋白含量、α-淀粉酶活性、半胱氨酸蛋白酶活性及相关基因表达量.结果表明:干旱、人工老化和冷浸胁迫3种逆境对种子活力都有一定影响.不同萌发条件下,可溶性总糖含量呈现先小幅度升高后小幅度降低再迅速升高的趋势;而可溶性蛋白含量随着萌发时间的延长呈现逐渐下降的趋势.α-淀粉酶活性整体呈现逐渐升高的趋势,但在冷浸胁迫处理后,豫农949和轮选061的α-淀粉酶活性在萌发60 h后出现下降.半胱氨酸蛋白酶活性整体呈先降低后升高的趋势,但在干旱胁迫条件下,豫农949、豫麦49-198和轮选061的半胱氨酸蛋白酶活性呈现先升高后降低再升高的趋势.不同逆境萌发条件下,α-AMY(α-淀粉酶基因)表达量整体呈先上升后下降的趋势.冷浸胁迫处理后,轮选061的α-AMY表达量高于对照,在其他逆境萌发条件下,4个品种的α-AMY表达量均低于对照;人工老化处理后,长4738的CP(半胱氨酸蛋白酶基因)表达量与对照差异不显著,在其他逆境萌发条件下,4个品种的CP表达量均高于对照.种子萌发期间,不同萌发条件下α-淀粉酶和半胱氨酸蛋白酶活性与其基因表达并没有直接关系,α-淀粉酶活性与可溶性总糖含量达到显著正相关,半胱氨酸蛋白酶活性与可溶性蛋白含量的相关性不显著.在标准发芽条件下,α-淀粉酶活性与活力指数呈显著正相关,而在逆境萌发过程中,其相关性不显著.冷浸胁迫处理后,半胱氨酸蛋白酶活性与活力指数呈显著正相关,但在标准发芽、干旱胁迫、人工老化处理后,其相关性不显著.     

干旱和盐胁迫对华山新麦草种子萌发及幼苗生理特性的影响

模拟华山新麦草野生土壤生境特点,分别采用聚乙二醇(PEG-6000)、钙(CaCl2)以及二者混合液3种方式浸种,研究PEG-6000和Ca2+浸种对华山新麦草种子萌发及幼苗生长的影响.结果表明:3种处理下华山新麦草的种子发芽率、发芽势和发芽指数均无显著变化;但PEG-6000浸种后,华山新麦草幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量增加,蛋白酶、SOD和POD活性增强;CaCl2浸种后,华山新麦草幼苗可溶性糖含量增加,蛋白酶、SOD和CAT活性增强,淀粉酶活性降低;而PEG-6000和CaCl2混合液浸种后,华山新麦草幼苗可溶性糖含量下降,SOD活性降低,华山新麦草生长受阻.据此推测华山干旱和钙离子含量高的生境特点可能是华山新麦草种群濒危的原因之一.     

胀果甘草种子萌发对干旱胁迫的生理响应

为探讨胀果甘草种子萌发对干旱胁迫的生理生化适应机制,以聚乙二醇(PEG)-6000模拟干旱胁迫,分析了胀果甘草(Glycyrrhiza inflata)种子萌发过程中发芽率(GR)、丙二醛(MDA)及游离脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)含量和超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性的动态变化规律。结果显示,水势为-0.1MPa时,GR达到100%,之后随着干旱胁迫增强而显著降低(P0.05);MDA、Pro含量及SOD、POD活性都表现出水势≥-0.2MPa时增加和-1.4MPa≤水势-0.2MPa时减少的明显趋势(P0.05),这4个指标两两之间的相关关系均达到显著水平(P0.05);而干旱胁迫增强使SS含量显著增加(P0.05)。     

Melatonin Promotes Rice Seed Germination under Drought Stress by Regulating Antioxidant Capacity

Drought stress is a serious threat to the germination of plant seeds and the growth of seedlings. Melatonin has been proven to play an important role in alleviating plant stress. However, its effect on seed germination under drought conditions is still poorly understood. Therefore, we studied the effects of melatonin on rice seed germination and physiological characteristics under drought stress. Rice seeds were treated with different concentrations of melatonin (i.e., 0, 20, 100, and 500 μM) and drought stress was simulated with 5% polyethylene glycol 6000 (PEG6000). The results showed that 100 μM melatonin can effectively improve the germination potential, rate and index; the vigor index of rice seeds; and the length of the shoot and root. In addition, that treatment also increased the activity of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT), and reduced the content of malondialdehyde (MDA). The grey relational grade between the shoot MDA content and the melatonin seed-soaking treatment was the highest, which could be useful for evaluating the effect of melatonin on drought tolerance. Two-way analysis of variance showed that the effect of single melatonin treatment on rice seeds was more significant than that of single drought stress and interaction treatment of drought and melatonin (p < 0.05). The subordinate function results showed that 100 μM melatonin significantly improved the germination and physiological indexes of rice seeds and effectively alleviated the adverse effects of drought stress on rice seedlings. The results helped to improve the understanding of the morphological and physiological involvement of melatonin in promoting seed germination and seedling development under drought stress.     

东乡野生稻回交重组系的抗旱性评价体系

选用协青早B//东乡野生稻/协青早B回交重组系及其亲本共79份水稻材料,研究了水稻发芽期、苗期、孕穗期、成熟期的种子萌发抗旱指数等31个指标与东乡野生稻回交重组系抗旱性的关系.结果表明:15％ PEG-6000溶液处理的相对发芽势、20％ PEG-6000溶液处理的种子萌发抗旱指数和相对发芽势及水分胁迫后最长根长、苗高、根鲜质量、根干质量、根系相对含水量、萎蔫率、叶片可溶性糖含量、叶片脯氨酸含量、叶片丙二醛含量、叶片相对含水量、卷叶级别、株高、单株分蘖数、单株有效穗数、穗实粒数、着粒密度、结实率、千粒重等21个指标的相对值与抗旱系数或抗旱指数的相关性显著.通过逐步回归分析筛选出9个抗旱性鉴定指标:20％ PEG-6000溶液处理的相对发芽势及水分胁迫后根干质量、根系相对含水量、叶片可溶性糖含量、叶片脯氨酸含量、叶片丙二醛含量、单株有效穗、结实率和千粒重的相对值.根据这些指标和偏相关系数,建立了不同时期的抗旱性评价(D值)方程和评价体系,可对东乡野生稻回交重组系抗旱性进行较好的评价.     

外源水杨酸对干旱胁迫下小冠花种子萌发及幼芽生理特性的影响

以豆科牧草“绿宝石”小冠花为试材,研究PEG-6000(浓度8%和12%)模拟干旱胁迫下不同浓度外源水杨酸(0、0.5、1.0和2.0 mmol·L^-1)对小冠花种子萌发和幼芽生理特性的影响.结果表明: 0.5～1.0 mmol·L^-1水杨酸显著提高了干旱胁迫下小冠花种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和芽长,12%PEG胁迫下1.0 mmol·L^-1水杨酸处理小冠花幼芽干质量显著高于干旱处理.0.5～1.0 mmol·L^-1水杨酸处理显著提高了干旱胁迫下小冠花幼芽脯氨酸、可溶性蛋白含量,显著提高了过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶活性,显著降低了幼芽细胞电解质渗透率、H₂O₂含量、O₂^-·产生速率,其中以1.0 mmol·L^-1水杨酸处理效果最好.水杨酸浓度超过2.0 mmol·L^-1时对干旱胁迫没有缓解效应.表明适宜浓度的水杨酸(0.5～1.0 mmol·L^-1)可以提高小冠花幼芽渗透调节能力和抗氧化能力,促进小冠花生长,缓解干旱胁迫伤害.