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根施乙酰胆碱对模拟干旱下烟草抗旱生理及光合特性的影响

【摘要】:乙酰胆碱是类似于植物激素的一种化学物质,对调控植物的生长发育具有重要意义。目前关于乙酰胆碱的研究集中于植物气孔运动、种子萌发和光合作用等方面,而对抗旱性调控的相关机理研究并不十分清晰。本研究以本氏烟草(Nicotiana Benthamiana)为材料,采用10%聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫,通过研究根施不同浓度(0.01mmol/L和0.1 mmol/L)乙酰胆碱对烟草渗透调节物质含量、抗氧化代谢和光合特性的影响,初步阐明了乙酰胆碱提高作物抗旱性的生理机制。主要研究结果如下:1.外源乙酰胆碱可提高烟草植株的保水能力。根施0.01 mM乙酰胆碱显著提高了烟草叶片的相对含水量(RWC%)以及可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸的含量,处理36h后与单一PEG(10%)处理相比,RWC%提高了4.71%。2.外源乙酰胆碱可缓解烟草植株的氧化损伤。根施0.01 mM乙酰胆碱显著提高了烟草叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性,抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量升高,降低了过氧化氢(H_2O_2)、超氧阴离子(O_2~-)和丙二醛(MDA)含量。在处理36 h时与单一PEG(10%)处理相比,SOD和APX的活性分别提高了19.73%和11.17%。3.外源乙酰胆碱有利于维持烟草整体叶片较高的细胞活性和根系活力。干旱胁迫下烟草叶片的细胞活力逐渐降低,可通过根施乙酰胆碱提高其细胞活力,0.01 mM浓度处理36 h时,细胞活力为单一PEG处理的1.69倍;烟草根系由于干旱胁迫出现了断根和颜色变深,0.01 mM乙酰胆碱能够缓解这一现象,并显著提高其根系活力。4.外源乙酰胆碱可通过调控气孔限制因素而影响烟草的光合特性。根施0.01 mM乙酰胆碱可显著提高干旱胁迫下烟草的净光合速率(P_N),而气孔导度(g_s)和胞间二氧化碳浓度(C_i)下降至一定程度后处于相对稳定的水平;根施乙酰胆碱可显著增加气孔的周长、面积、气孔开度和张开率。5.外源乙酰胆碱也可通过调控非气孔限制因素而影响烟草的光合特性。根施0.01mM乙酰胆碱可以调控干旱下烟草的光能吸收与分配,降低光抑制损伤,叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等光合色素含量、光化学淬灭(qP)和非光化学淬灭(NPQ)显著升高,固定荧光(Fo)则显著下降;根施0.01 mM乙酰胆碱可保护干旱下烟草叶片光系统II(PSII)不受损伤,能够提高电子传递活力,原初光能转化效率(Fv/Fm)、稳态光量子效率(QY-Lss)、PSII潜在活性(Fv/Fo)和稳态荧光衰减率(Rfd-Lss)较单一PEG处理均有不同程度的升高;根施0.01 mM乙酰胆碱处理后烟叶的叶绿素荧光动力学曲线M峰比单一PEG处理低,说明其可以促进光合磷酸化的进程;根施0.01 mM乙酰胆碱可提高干旱下烟草叶片的碳同化潜力,ATP含量和Rubisco活性分别是单一PEG处理的2.40和1.40倍,ATP含量的变化尤为显著。6.主成分分析和回归分析表明,影响烟草叶片的净光合速率主要因子包括Mg~(2+)-ATPase、叶绿素a、qP、ATP、Rfd-Lss、Fv/Fm、Ci、Rubisco、QY-Lss、Fv/Fo、Fo和POD,即模拟干旱胁迫下非气孔限制因素是烟草叶片净光合速率下降的主要因素。根施乙酰胆碱提高烟草的抗旱性与其浓度相关,0.01 mM的乙酰胆碱效果较优。综上所述,根施0.01 mM乙酰胆碱可通过提高渗透调节物质的含量和抗氧化能力,降低叶片与根系在干旱胁迫下的氧化损伤,并通过调控烟草叶片气孔形态、光能吸收与分配,保护光合特性器官,提高光化学反应活性和碳同化潜力,从而保证了烟草在干旱胁迫下正常的光合代谢,其抗旱性显著增强。

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