劉懷特,曹 揚(yáng),杜培華,周莎莎,李中勇,張學(xué)英,徐繼忠,梁博文
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,河北保定 071001)
蘋(píng)果是多年生經(jīng)濟(jì)作物,我國(guó)的蘋(píng)果栽培面積和產(chǎn)量位居世界第一[1]。研究表明,植物需要從土壤中獲取至少14 種必需的營(yíng)養(yǎng)元素,以維持正常的生長(zhǎng)發(fā)育,當(dāng)土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素缺失時(shí),植物會(huì)產(chǎn)生一系列的應(yīng)答反應(yīng)[2-3],比如土壤中氮素虧缺會(huì)導(dǎo)致植株生長(zhǎng)緩慢,葉色變黃,甚至作物產(chǎn)量降低等現(xiàn)象[4]。為緩解營(yíng)養(yǎng)缺乏而造成的缺素癥狀,農(nóng)業(yè)上常采取施肥措施,但施肥不科學(xué)容易導(dǎo)致資源浪費(fèi)、環(huán)境退化和生態(tài)環(huán)境破壞等問(wèn)題[4]。因此,如何提升養(yǎng)分脅迫下蘋(píng)果養(yǎng)分吸收利用效率,對(duì)減少人工合成肥料的施用與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。
氮是植物生長(zhǎng)必需的大量元素,對(duì)植物器官分化、物質(zhì)代謝及果實(shí)品質(zhì)形成等過(guò)程具有不可替代性,參與蘋(píng)果生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段,在細(xì)胞發(fā)育和生命活動(dòng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[5-6]。研究表明,銨態(tài)氮(NH4+)和硝態(tài)氮(NO3-)是植物體內(nèi)主要的氮源,NO3-可通過(guò)植物根表皮和表皮細(xì)胞從土壤中吸收利用[7-8],對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用顯著[9],而NH4+可以更快地填充土壤溶液中的無(wú)機(jī)氮溶解池。AMT1和AMT2是植物中兩類(lèi)主要的NH4+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,負(fù)責(zé)植物體內(nèi)NH4+的轉(zhuǎn)運(yùn)與吸收[10],NRT1與NRT2家族參與植物器官對(duì)NO3-的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)[11]。
褪黑素是一種強(qiáng)抗氧化劑,能夠抑制活性氧的積累,調(diào)控逆境響應(yīng)基因的表達(dá),對(duì)鹽堿、重金屬和干旱等環(huán)境脅迫具有很強(qiáng)的緩解作用[12]。研究表明,在養(yǎng)分脅迫和干旱脅迫下,施加褪黑素會(huì)促進(jìn)氮、磷和鉀的吸收與分配[13-14];低氮脅迫下,外源褪黑素可以促進(jìn)小麥幼苗的生長(zhǎng),提高幼苗莖部和根部NO3-含量[15];低NO3-條件下,褪黑素可以促進(jìn)葉片15NO3-積累,增加15NO3-含量和15NO3-吸收通量[16]。上述研究表明,褪黑素在單一元素虧缺或其他環(huán)境脅迫下能夠促進(jìn)植株生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收。
雖然對(duì)單一元素虧缺或其他環(huán)境脅迫下蘋(píng)果植株氮素吸收利用的研究很多,但是關(guān)于外源褪黑素對(duì)養(yǎng)分全缺情況下蘋(píng)果植株氮代謝酶活性及基因表達(dá)的影響研究尚缺乏。因此,本試驗(yàn)以平邑甜茶實(shí)生苗為材料,在水培條件下模擬養(yǎng)分脅迫,從養(yǎng)分脅迫下平邑甜茶幼苗的氮代謝關(guān)鍵酶活性、氮代謝及氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)等方面,探究外源褪黑素對(duì)養(yǎng)分脅迫下蘋(píng)果幼苗氮代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響,為外源褪黑素提升蘋(píng)果砧木氮素吸收利用效率提供理論依據(jù)。
本試驗(yàn)以平邑甜茶幼苗為試驗(yàn)材料,于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)園(38°23′ N,115°28′ E)中進(jìn)行,將經(jīng)低溫層積處理30 天的平邑甜茶種子種于育苗缽中,待幼苗長(zhǎng)至7~8 片葉時(shí),將其轉(zhuǎn)移至盛有1/2 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液的水培盆中,通過(guò)氣泵通氣以保持植物根部正常生長(zhǎng),使用H3PO4調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液的pH為6.1±0.1,每5 天更換1 次營(yíng)養(yǎng)液。
首先進(jìn)行預(yù)培養(yǎng),第12 天時(shí),將材料分成兩組,一組為對(duì)照組,另一組施加0.1 μmol/L 褪黑素,第15 天時(shí),開(kāi)始進(jìn)行正式處理。將幼苗均勻分成4 個(gè)處理組,分別為1/2 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液(CK)、1/2 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液+0.1 μmol/L 褪黑素(MCK)、1/20 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液(ST)、1/20 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液+0.1 μmol/L 褪黑素(MST),每個(gè)處理3 次重復(fù),每個(gè)重復(fù)40 株幼苗,共120 株幼苗,每5 天處理1 次,共處理20 天。
在每次試驗(yàn)處理之前(第0、5、10、15 天上午9:00) 和第20 天時(shí),采集頂端(生長(zhǎng)點(diǎn)) 以下第5~6 片健康、無(wú)破損的成熟葉片,同時(shí)在第20 天采集幼苗根系,液氮冷凍后置于-80℃冰箱保存,用于后續(xù)酶活性、基因定量表達(dá)和褪黑素含量的測(cè)定分析,每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行3 次生物學(xué)重復(fù)。
硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、Fd-谷氨酸合成酶(Fd-GOGAT) 和NADH-谷氨酸合成酶(NADH-GOGAT)活性采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的試劑盒進(jìn)行測(cè)定。
按照多糖多酚植物樣本RNA 提取試劑盒(北京聚合美生物科技有限公司)的說(shuō)明書(shū)從葉和根中提取總RNA,使用UEIriRT-PCR System for First-Strand cDNA Synthesis system (蘇州宇恒生物科技有限公司)進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄得到cDNA,使用Roche LightCycler 96 real-time PCR system (Roche,Basel,Switzerland)分析基因的相對(duì)表達(dá)量,以β-Actin為內(nèi)參基因,每個(gè)樣品進(jìn)行3 次重復(fù),引物序列見(jiàn)表1。
褪黑素含量的測(cè)定參照Cao 等[17]的方法。取0.5 g 樣品于液氮中研磨成粉末,加入5 mL 甲醇,超聲35 min,4℃,10000×g離心15 min,上清液過(guò)0.22 μm 有機(jī)濾膜后,使用高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)葉片中褪黑素含量。
使用Excel 2016 和IBM SPSS Statistics 20 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,采用SigmaPlot 10.0 繪制圖表,使用單因素方差分析(ANOVA)比較統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,Tukey’s多區(qū)間檢驗(yàn)(P<0.05)評(píng)價(jià)處理間差異。
如圖1 所示,處理20 天中,CK 處理的褪黑素合成相關(guān)基因的表達(dá)相對(duì)穩(wěn)定,MCK 處理的MdTDC、MdT5H和MdAANAT的表達(dá)量呈先上升后下降的趨勢(shì),在處理第10 天達(dá)到峰值,MdASMT的表達(dá)呈上升趨勢(shì),在處理第20 天值最高。ST 處理的MdTDC、MdT5H、MdAANAT和MdASMT的表達(dá)量呈先上升后下降的趨勢(shì),MST 處理的MdTDC和MdAANAT的表達(dá)量呈上升趨勢(shì),在處理第20 天值最高,MdT5H的表達(dá)量呈先下降再上升后下降的趨勢(shì),在處理第15 天達(dá)到峰值,MdASMT的表達(dá)量呈先上升再下降后上升的趨勢(shì),在處理第20 天值最高。處理第20 天時(shí),與CK 處理相比,ST 處理上調(diào)了褪黑素合成相關(guān)基因MdTDC、MdT5H、MdAANAT和MdASMT的表達(dá)。與ST 處理相比,外源褪黑素提高了蘋(píng)果幼苗葉中MdTDC、MdT5H、MdAANAT和MdASMT的表達(dá)水平。如圖2 所示,養(yǎng)分脅迫下,蘋(píng)果幼苗葉片中褪黑素含量顯著增加,外源施加褪黑素顯著增加了蘋(píng)果幼苗葉中的褪黑素含量(P<0.05)。MCK 處理較CK 處理顯著增加了30.21%,MST 處理較ST 處理顯著增加了3.10%。
圖1 外源褪黑素對(duì)養(yǎng)分正常和脅迫條件下蘋(píng)果葉片中褪黑素合成相關(guān)基因表達(dá)量的影響Fig.1 Effects of exogenous melatonin on the relative expression of melatonin synthesis-related genes in M.hupehensis leaves under normal and low nutrient supply conditions
圖2 外源褪黑素對(duì)養(yǎng)分正常和脅迫條件下蘋(píng)果葉片中內(nèi)源褪黑素含量的影響Fig.2 Effects of exogenous melatonin on endogenous melatonin content in M.hupehensis leaves under normal and low nutrient supply conditions
如圖3 所示,在養(yǎng)分正常和脅迫條件下,外源褪黑素均提高了蘋(píng)果葉片中氮代謝酶活性。與CK相比,MCK 處理顯著提高了葉片中的NR、NiR、GS、Fd-GOGAT 和NADH-GOGAT 活性(P<0.05),分別較CK 提高了28.13%、13.72%、17.36%、9.34%和26.82%;ST 處理顯著降低了葉片中的NR、NiR、GS、Fd-GOGAT 和NADH-GOGAT 活性(P<0.05),分別較CK 降低了50.00%、36.75%、29.66%、14.01%和36.59%;與ST 處理相比,MST 顯著提高了養(yǎng)分脅迫下葉片中的NR、NiR、GS 和Fd-GOGAT 活性(P<0.05),分別較ST 處理提高了65.62%、51.49%、59.63%和17.53%。
圖3 外源褪黑素對(duì)養(yǎng)分正常和脅迫條件下蘋(píng)果葉片中NR、NiR、GS、Fd-GOGAT 和NADH-GOGAT 酶活性的影響Fig.3 Effects of exogenous melatonin on the activities of NR, NiR, GS, Fd-GOGAT and NADH-GOGAT in M.hupehensis leaves under normal and low nutrient supply conditions
如圖4 所示,在養(yǎng)分正常和脅迫條件下,外源褪黑素均提高了蘋(píng)果根中氮代謝酶活性。與CK 相比,MCK 處理顯著提高了葉片中的NADH-GOGAT活性(P<0.05),較CK 提高了26.88%;ST 處理顯著降低了根中的NR、NiR、GS、Fd-GOGAT 和NADHGOGAT 活性(P<0.05),分別較CK 降低了25.00%、9.56%、43.25%、15.88%和44.04%;與ST 處理相比,外源褪黑素顯著提高了養(yǎng)分脅迫下根中的NiR、GS 和Fd-GOGAT 活性(P<0.05),分別提高了19.52%、52.09%和12.72%。
如圖5 所示,處理第20 天時(shí),在養(yǎng)分正常和脅迫條件下,外源褪黑素均上調(diào)了蘋(píng)果葉片中氮代謝相關(guān)基因的表達(dá)水平。養(yǎng)分正常條件下,外源褪黑素顯著上調(diào)了NR、NiR和GS基因的表達(dá)水平(P<0.05),MCK 處理分別為CK 處理的1.37、1.77 和1.40 倍。ST 處理的幼苗葉片中NR、GS和NADHGOGAT基因的表達(dá)水平顯著下調(diào)(P<0.05),分別較CK 降低了51.07%、37.64%和24.51%。與ST 處理相比,外源褪黑素顯著提高了養(yǎng)分脅迫下葉中NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT基因的表達(dá)水平(P<0.05),MST 處理分別為ST 處理的2.16、2.08、2.22、1.71 和1.19 倍。
如圖6 所示,處理第20 天時(shí),在養(yǎng)分正常和脅迫條件下,外源褪黑素均上調(diào)了蘋(píng)果根中氮代謝相關(guān)基因的表達(dá)水平。養(yǎng)分正常條件下,外源褪黑素顯著上調(diào)了NiR基因的表達(dá)水平(P<0.05),MCK 處理為CK 處理的1.88 倍。ST 處理根中的NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT基因的表達(dá)水平顯著低于CK (P<0.05),分別較CK 降低了62.22%、60.25%、48.41%、59.14%和57.90%;MST 處理顯著提高了養(yǎng)分脅迫下根中NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT基因的表達(dá)水平(P<0.05),分別為ST 處理的1.31、1.41、1.74 和1.54 倍。
圖6 外源褪黑素對(duì)養(yǎng)分正常和脅迫條件下蘋(píng)果根部NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT 基因相對(duì)表達(dá)量的影響Fig.6 Effects of exogenous melatonin on the relative expression of NR, NiR, GS, Fd-GOGAT and NADH-GOGAT genes in M.hupehensis roots under normal and low nutrient supply conditions
如圖7 所示,處理20 天內(nèi),MCK 處理葉片中NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)基因MdNRT1.1、MdNRT2.5、MdNRT2.7的表達(dá)量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),NH4+轉(zhuǎn)運(yùn)基因MdAMT1.2、MdAMT1.5和MdAMT2.1的相對(duì)表達(dá)量呈上升趨勢(shì),ST 和MST 處理葉片中NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)基因MdNRT1.1、MdNRT2.5、MdNRT2.7和NH4+轉(zhuǎn)運(yùn)基因MdAMT1.2、MdAMT1.5和MdAMT2.1的相對(duì)表達(dá)量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在處理第10 天或第15 天達(dá)到峰值,這些基因的表達(dá)在CK 處理的葉片中相對(duì)穩(wěn)定。處理第20 天時(shí),與CK 處理相比,ST 處理葉中的MdNRT1.1、MdNRT2.5、MdNRT2.7、MdAMT1.2、MdAMT1.5和MdAMT2.1的表達(dá)量上調(diào)。與ST 處理相比,外源褪黑素提高了MdNRT2.4、MdNRT2.5、MdNRT2.7、MdAMT1.2和MdAMT2.1的表達(dá)水平。MST 處理的葉片中MdNRT2.4的表達(dá)水平呈現(xiàn)上升趨勢(shì),處理第20 天值最高,為ST 處理的9.23 倍。
圖7 外源褪黑素對(duì)養(yǎng)分正常和脅迫條件下平邑甜茶幼苗葉片中氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)的影響Fig.7 Effects of exogenous melatonin on the expression of nitrogen transport-related genes in leaves of M.hupehensis under normal and low nutrient supply conditions
當(dāng)土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素缺乏時(shí),易導(dǎo)致植物產(chǎn)生缺素癥狀[2],褪黑素作為抗氧化劑,可以通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)鍵基因表達(dá)來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫[18]。本試驗(yàn)通過(guò)水培來(lái)模擬養(yǎng)分脅迫,通過(guò)測(cè)定平邑甜茶幼苗的褪黑素合成基因表達(dá)量、褪黑素含量、氮代謝酶活性以及氮代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)量,探究外源褪黑素對(duì)養(yǎng)分脅迫下蘋(píng)果幼苗氮代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響。結(jié)果表明,對(duì)養(yǎng)分脅迫下的蘋(píng)果幼苗外源施加褪黑素,能上調(diào)平邑甜茶幼苗葉中褪黑素合成基因的表達(dá)水平,顯著提高蘋(píng)果幼苗葉中褪黑素含量,提高蘋(píng)果幼苗葉和根中氮代謝酶活性,增強(qiáng)氮代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)。
在植物正常生長(zhǎng)條件下,褪黑素水平可以保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。然而,褪黑素水平受環(huán)境脅迫的強(qiáng)烈影響。研究表明,植物中褪黑素的形成始于色氨酸,包括4 個(gè)酶促步驟,由色氨酸脫羧酶(TDC)、色氨酸羥化酶(TPH)、色胺-5-羥化酶(T5H)、5-羥色胺-N-乙?;D(zhuǎn)移酶(SNAT)、5-羥色胺-N-乙?;D(zhuǎn)移酶(ASMT)等進(jìn)行催化,因此,TDC、T5H、SNAT、ASMT 等酶的相關(guān)基因參與褪黑素合成過(guò)程[12,19]。干旱脅迫下,桃苗的ASMT和TDC表達(dá)顯著上調(diào),經(jīng)褪黑素處理的植株表達(dá)量進(jìn)一步升高[19],上調(diào)褪黑素生物合成基因MdTDC1、MdAANAT2、MdT5H4和MdASMT1的表達(dá)可以調(diào)節(jié)干旱脅迫下平邑甜茶植株的水分平衡[20]。此外,外源施加褪黑素可以增加內(nèi)源褪黑素含量[21-22],也可以自我調(diào)節(jié)褪黑素合成基因的表達(dá)[18]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,養(yǎng)分脅迫下,蘋(píng)果幼苗葉片中褪黑素合成相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào),褪黑素含量升高,同時(shí),外源施加褪黑素會(huì)提高養(yǎng)分脅迫下蘋(píng)果幼苗葉片中褪黑素合成相關(guān)基因MdTDC、MdT5H、MdAANAT和MdASMT的表達(dá)水平,增加內(nèi)源褪黑素的含量。這表明養(yǎng)分脅迫一定程度上會(huì)刺激褪黑素合成基因的表達(dá),致使褪黑素含量增加以響應(yīng)養(yǎng)分脅迫,外源褪黑素可以進(jìn)一步促進(jìn)褪黑素合成基因的表達(dá),提高內(nèi)源褪黑素的含量。
NR、NiR、GS、Fd-GOGAT 和NADH-GOGAT是氮代謝過(guò)程的關(guān)鍵酶,硝酸鹽在NR 的催化下變成亞硝酸鹽,NiR 將亞硝酸鹽還原成銨,GS 參與植物體內(nèi)的氨同化過(guò)程,將植株體內(nèi)的NH4+催化成谷氨酰胺,F(xiàn)d-GOGAT 和NADH-GOGAT 將其催化成谷氨酸,參與植物體內(nèi)氨基酸循環(huán),GOGAT 能夠與GS 結(jié)合,完成氨同化[4]。研究表明,氮磷虧缺會(huì)嚴(yán)重影響蘋(píng)果葉片氮代謝酶活性,低氮情況下,蘋(píng)果砧木的NR 活性低于正常供氮[7],適氮低磷與低氮適磷均會(huì)導(dǎo)致嘎啦植株中NR 和NiR 活性降低[23]。低氮脅迫降低了平邑甜茶幼苗葉片的NR、NiR、GS與GOGAT 活性,外源褪黑素會(huì)緩解氮代謝酶活性的降低[4]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,與CK 處理相比,ST 處理的葉和根中NR、NiR、GS、Fd-GOGAT 和NADHGOGAT 活性降低,外源褪黑素可以減小下降幅度。褪黑素可以調(diào)控氮代謝相關(guān)基因的表達(dá)。研究表明,低氮條件下植物NR、NiR、GS的表達(dá)顯著下調(diào),外源褪黑素能增強(qiáng)低氮條件下植物NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT基因的表達(dá)[4,24],這與本研究的結(jié)果一致。表明低氮脅迫會(huì)抑制氮代謝關(guān)鍵酶活性及氮代謝基因表達(dá),外源褪黑素可以通過(guò)提高氮代謝關(guān)鍵酶活和氮代謝基因的表達(dá)水平,從而提高蘋(píng)果幼苗氮代謝水平。
褪黑素能夠緩解養(yǎng)分脅迫導(dǎo)致的植物氮轉(zhuǎn)運(yùn)受阻現(xiàn)象。研究表明,低氮脅迫會(huì)促進(jìn)植株NRT和AMT家族部分基因的表達(dá),如低氮脅迫下,蘋(píng)果植株的NRT1.1基因表達(dá)量上調(diào)[13],油菜的BnAMT1.1、BnAMT1.2、BnAMT1.5、BnAMT1.4和BnAMT2.1以及BnNRT2.4a、BnNRT2.4b、BnNRT2.5a和Bn NRT2.5b的表達(dá)上調(diào)[25],本試驗(yàn)中,ST 處理葉中的NRT1.1、AMT2.1、AMT1.2和AMT1.5的表達(dá)量上調(diào),表明養(yǎng)分脅迫可能一定程度上提高了平邑甜茶幼苗對(duì)NO3-和NH4+的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力。低NH4+脅迫下,外源褪黑素不同程度上調(diào)了AMT1.2、AMT1.5、AMT2.1、NRT1.1的表達(dá)水平,促進(jìn)了平邑甜茶葉片或根部對(duì)NH4+的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[4]。本研究中,養(yǎng)分脅迫下,外源褪黑素提高了NRT2.4、NRT2.5、NRT2.7、AMT1.2和AMT2.1的表達(dá)水平,表明外源褪黑素可能通過(guò)增強(qiáng)平邑甜茶幼苗的NH4+和NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá),來(lái)促進(jìn)蘋(píng)果植株對(duì)氮的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。
養(yǎng)分脅迫下,平邑甜茶幼苗葉片中褪黑素合成基因的表達(dá)上調(diào),內(nèi)源褪黑素含量顯著提高,蘋(píng)果幼苗葉片及根中氮代謝酶活性顯著降低,氮代謝相關(guān)基因表達(dá)水平顯著下調(diào),氮轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào),表明蘋(píng)果幼苗在養(yǎng)分脅迫條件下通過(guò)提高內(nèi)源褪黑素合成基因的表達(dá),提高對(duì)氮的利用。添加外源褪黑素強(qiáng)化了內(nèi)源褪黑素的效果,尤其在養(yǎng)分脅迫條件下,總之,外源褪黑素可以通過(guò)促進(jìn)蘋(píng)果植株對(duì)氮的代謝和吸收轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)緩解養(yǎng)分脅迫。