灌漿期高溫對小麥旗葉中SOD和GR活性及相關(guān)基因表達量的影響

王春微　孫愛清　張杰道　等

摘要：以山農(nóng)23和濟麥20為試驗材料，研究灌漿期（花后10～20 d）高溫對小麥旗葉中超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽還原酶（GR）活性及相關(guān)基因表達量的影響。結(jié)果表明，在高溫脅迫條件下，山農(nóng)23的SOD活性一直顯著高于對照，而濟麥20的SOD活性變化呈先升高后降低的趨勢。山農(nóng)23中Fe-SOD和Mn-SOD表達量的變化與SOD活性的變化趨勢相似，但Cu/Zn-SOD表達量的變化與SOD活性的變化趨勢不同。濟麥20中3個SOD基因表達量的變化均與SOD活性的變化基本一致。高溫脅迫條件下兩個小麥品種的GR活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，山農(nóng)23中GR表達量的變化與GR活性的變化趨勢基本一致，濟麥20中GR表達量的變化早于GR活性的變化?？傮w來看，高溫脅迫條件下山農(nóng)23具有較強的抗氧化能力，F(xiàn)e-SOD和Mn-SOD基因?qū)OD活性起主要作用，抗氧化酶相關(guān)基因?qū)酀{期高溫脅迫的響應(yīng)比酶活性更敏感。

關(guān)鍵詞：小麥；高溫；超氧化物歧化酶；谷胱甘肽還原酶；基因表達

中圖分類號：S512.103.4文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）10-0030-05

3討論與結(jié)論

高溫引起抗氧化酶活性的改變可能因植物物種、品種、脅迫強度和脅迫持續(xù)時間的不同而異。Hu等[18]通過試驗發(fā)現(xiàn)高溫脅迫（42℃，1 h）能增加玉米葉片中SOD和GR的活性。Xue等[19]發(fā)現(xiàn)高溫使水稻苗中SOD活性顯著高于對照。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫處理過程中山農(nóng)23的SOD活性一直高于對照，濟麥20的SOD活性變化呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；兩個品種的GR活性雖然都呈先升高后降低的趨勢，但是濟麥20開始下降的時間早于山農(nóng)23。表明高溫脅迫對不同耐熱性小麥品種的抗氧化酶活性的影響不同，山農(nóng)23有較高的抗氧化酶活性和較強的耐熱性。

高溫引發(fā)各種植物響應(yīng)，包括調(diào)控基因的表達。研究在RNA水平上的基因表達與植物耐熱性的關(guān)系，能對抗氧化酶激活機制有更深入地了解，而不僅僅停留在酶活性方面。本研究發(fā)現(xiàn)，濟麥20中三種SOD基因的變化趨勢與酶活性的變化趨勢基本一致。山農(nóng)23中Fe-SOD和Mn-SOD在處理過程中的變化趨勢與高溫處理條件下SOD活性的變化趨勢基本一致，但是Cu/Zn-SOD在處理2 d后表達量一直低于對照，這與SOD活性的變化趨勢不一致。前人許多試驗也發(fā)現(xiàn)非生物脅迫過程中Cu/Zn-SOD的轉(zhuǎn)錄水平的變化與SOD變化不完全一致。Xu等[10]研究發(fā)現(xiàn)早熟禾中葉綠體Cu/Zn-SOD與細胞質(zhì)Cu/Zn-SOD在干旱脅迫后轉(zhuǎn)錄水平顯著升高，但是SOD活性卻呈下降的趨勢。Kurepa等 （1997）[20]通過研究發(fā)現(xiàn)Cu2+過量積累能使葉綠體Cu/Zn-SOD上調(diào)，但是SOD活性沒有發(fā)生顯著變化。綜上所述，F(xiàn)e-SOD和Mn-SOD在抵抗高溫損傷方面起重要作用。

山農(nóng)23的GR轉(zhuǎn)錄水平的變化比酶活性的變化早2 d，說明抗氧化酶相關(guān)基因?qū)Ω邷孛{迫的響應(yīng)較酶活性更敏感。值得注意的是，在高溫處理條件下濟麥20的GR基因表達量在處理4 d時開始下調(diào)，但酶活性在8 d開始低于對照，原因可能是GR在處理前期超表達或者GR活性的變化不是由轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的，更可能受轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控。

參考文獻：

[1]Maestri E， Klueva N， Perrotta C， et al. Molecular genetics of heat tolerance and heat shock proteins in cereals[J]. Plant Molecular Biology， 2002， 48（5/6）： 667-681.

[2]Hasanuzzaman M， Nahar K， Alam M M， et al. Physiological， biochemical， and molecular mechanisms of heat stress tolerance in plants[J]. International Journal of Molecular Sciences， 2013， 14（5）： 9643-9684.

[3]Melchiorre M， Robert G A N， Trippi V， et al. Superoxide dismutase and glutathione reductase overexpression in wheat protoplast： photooxidative stress tolerance and changes in cellular redox state[J]. Plant Growth Regulation， 2009， 57（1）： 57-68.

[4]Miller G， Suzuki N， Ciftci-Yilmaz S， et al. Reactive oxygen species homeostasis and signalling during drought and salinity stresses[J]. Plant， Cell & Environment， 2010， 33（4）： 453-467.

[5]De Pinto M C， Locato V， De Gara L. Redox regulation in plant programmed cell death[J]. Plant， Cell & Environment， 2012， 35（2）： 234-244.

[6]Farooq M， Aziz T， Hussain M， et al. Glycinebetaine improves chilling tolerance in hybrid maize[J]. Journal of Agronomy and Crop Science， 2008， 194（2）： 152-160.

[7]Gupta N K， Agarwal S， Agarwal V P， et al. Effect of short-term heat stress on growth， physiology and antioxidative defence system in wheat seedlings[J]. Acta Physiologiae Plantarum， 2013，35（6）：1837-1842.

[8]馬旭俊，朱大海. 植物超氧化物歧化酶（SOD）的研究進展[J]. 遺傳，2003， 25（2）： 225-231.

[9]Foyer C H， Halliwell B. The presence of glutathione and glutathione reductase in chloroplasts： a proposed role in ascorbic acid metabolism[J]. Planta， 1976， 133（1）： 21-25.

[10]Xu L， Han L， Huang B. Antioxidant enzyme activities and gene expression patterns in leaves of Kentucky bluegrass in response to drought and post-drought recovery[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science， 2011， 136（4）： 247-255.

[11]Almeselmani M， Deshmukh P S， Sairam R K. High temperature stress tolerance in wheat genotypes： role of antioxidant defence enzymes[J]. Acta Agronomica Hungarica， 2009， 57（1）： 1-14.

[12]Sairam R K， Srivastava G C， Saxena D C. Increased antioxidant activity under elevated temperatures： a mechanism of heat stress tolerance in wheat genotypes[J]. Biologia Plantarum， 2000， 43（2）： 245-251.

[13]Tan W， Liu J， Dai T， et al. Alterations in photosynthesis and antioxidant enzyme activity in winter wheat subjected to post-anthesis water-logging[J]. Photosynthetica， 2008， 46（1）： 21-27.

[14]Arakawa N， Tsutsumi K， Sanceda N G， et al. A rapid and sensitive method for the determination of ascorbic acid using 4， 7-diphenyl-l， 10-phenanthroline[J]. Agricultural and Biological Chemistry， 1981， 45（5）： 1289-1290.

[15]Kanematsu S， Asada K. Characteristic amino acid sequences of chloroplast and cytosol isozymes of CuZn-superoxide dismutase in spinach， rice and horsetail[J]. Plant and Cell physiology， 1990， 31（1）： 99-112.

[16]Smith M W， Doolittle R F. A comparison of evolutionary rates of the two major kinds of superoxide dismutase[J]. Journal of Molecular Evolution， 1992， 34（2）： 175-184.

[17]Ogawa K， Kanematsu S， Asada K. Intra-and extra-cellular localization of “cytosolic” CuZn-superoxide dismutase in spinach leaf and hypocotyl[J]. Plant and Cell Physiology， 1996， 37（6）： 790-799.

[18]Hu X， Liu R， Li Y， et al. Heat shock protein 70 regulates the abscisic acid-induced antioxidant response of maize to combined drought and heat stress[J]. Plant Growth Regulation， 2010， 60（3）： 225-235.

[19]Xue D， Jiang H， Hu J， et al. Characterization of physiological response and identification of associated genes under heat stress in rice seedlings[J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2012，61：46-53.

[20]Kurepa J， Van Montagu M， Inz E D. Expression of sodCp and sodB genes in Nicotiana tabacum： effects of light and copper excess[J]. Journal of Experimental Botany， 1997， 48（12）： 2007-2014.

[7]Gupta N K， Agarwal S， Agarwal V P， et al. Effect of short-term heat stress on growth， physiology and antioxidative defence system in wheat seedlings[J]. Acta Physiologiae Plantarum， 2013，35（6）：1837-1842.

[8]馬旭俊，朱大海. 植物超氧化物歧化酶（SOD）的研究進展[J]. 遺傳，2003， 25（2）： 225-231.

[9]Foyer C H， Halliwell B. The presence of glutathione and glutathione reductase in chloroplasts： a proposed role in ascorbic acid metabolism[J]. Planta， 1976， 133（1）： 21-25.

[10]Xu L， Han L， Huang B. Antioxidant enzyme activities and gene expression patterns in leaves of Kentucky bluegrass in response to drought and post-drought recovery[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science， 2011， 136（4）： 247-255.

[11]Almeselmani M， Deshmukh P S， Sairam R K. High temperature stress tolerance in wheat genotypes： role of antioxidant defence enzymes[J]. Acta Agronomica Hungarica， 2009， 57（1）： 1-14.

[12]Sairam R K， Srivastava G C， Saxena D C. Increased antioxidant activity under elevated temperatures： a mechanism of heat stress tolerance in wheat genotypes[J]. Biologia Plantarum， 2000， 43（2）： 245-251.

[13]Tan W， Liu J， Dai T， et al. Alterations in photosynthesis and antioxidant enzyme activity in winter wheat subjected to post-anthesis water-logging[J]. Photosynthetica， 2008， 46（1）： 21-27.

[14]Arakawa N， Tsutsumi K， Sanceda N G， et al. A rapid and sensitive method for the determination of ascorbic acid using 4， 7-diphenyl-l， 10-phenanthroline[J]. Agricultural and Biological Chemistry， 1981， 45（5）： 1289-1290.

[15]Kanematsu S， Asada K. Characteristic amino acid sequences of chloroplast and cytosol isozymes of CuZn-superoxide dismutase in spinach， rice and horsetail[J]. Plant and Cell physiology， 1990， 31（1）： 99-112.

[16]Smith M W， Doolittle R F. A comparison of evolutionary rates of the two major kinds of superoxide dismutase[J]. Journal of Molecular Evolution， 1992， 34（2）： 175-184.

[17]Ogawa K， Kanematsu S， Asada K. Intra-and extra-cellular localization of “cytosolic” CuZn-superoxide dismutase in spinach leaf and hypocotyl[J]. Plant and Cell Physiology， 1996， 37（6）： 790-799.

[18]Hu X， Liu R， Li Y， et al. Heat shock protein 70 regulates the abscisic acid-induced antioxidant response of maize to combined drought and heat stress[J]. Plant Growth Regulation， 2010， 60（3）： 225-235.

[19]Xue D， Jiang H， Hu J， et al. Characterization of physiological response and identification of associated genes under heat stress in rice seedlings[J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2012，61：46-53.

[20]Kurepa J， Van Montagu M， Inz E D. Expression of sodCp and sodB genes in Nicotiana tabacum： effects of light and copper excess[J]. Journal of Experimental Botany， 1997， 48（12）： 2007-2014.

[7]Gupta N K， Agarwal S， Agarwal V P， et al. Effect of short-term heat stress on growth， physiology and antioxidative defence system in wheat seedlings[J]. Acta Physiologiae Plantarum， 2013，35（6）：1837-1842.

[8]馬旭俊，朱大海. 植物超氧化物歧化酶（SOD）的研究進展[J]. 遺傳，2003， 25（2）： 225-231.

[9]Foyer C H， Halliwell B. The presence of glutathione and glutathione reductase in chloroplasts： a proposed role in ascorbic acid metabolism[J]. Planta， 1976， 133（1）： 21-25.

[10]Xu L， Han L， Huang B. Antioxidant enzyme activities and gene expression patterns in leaves of Kentucky bluegrass in response to drought and post-drought recovery[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science， 2011， 136（4）： 247-255.

[11]Almeselmani M， Deshmukh P S， Sairam R K. High temperature stress tolerance in wheat genotypes： role of antioxidant defence enzymes[J]. Acta Agronomica Hungarica， 2009， 57（1）： 1-14.

[12]Sairam R K， Srivastava G C， Saxena D C. Increased antioxidant activity under elevated temperatures： a mechanism of heat stress tolerance in wheat genotypes[J]. Biologia Plantarum， 2000， 43（2）： 245-251.

[13]Tan W， Liu J， Dai T， et al. Alterations in photosynthesis and antioxidant enzyme activity in winter wheat subjected to post-anthesis water-logging[J]. Photosynthetica， 2008， 46（1）： 21-27.

[14]Arakawa N， Tsutsumi K， Sanceda N G， et al. A rapid and sensitive method for the determination of ascorbic acid using 4， 7-diphenyl-l， 10-phenanthroline[J]. Agricultural and Biological Chemistry， 1981， 45（5）： 1289-1290.

[15]Kanematsu S， Asada K. Characteristic amino acid sequences of chloroplast and cytosol isozymes of CuZn-superoxide dismutase in spinach， rice and horsetail[J]. Plant and Cell physiology， 1990， 31（1）： 99-112.

[16]Smith M W， Doolittle R F. A comparison of evolutionary rates of the two major kinds of superoxide dismutase[J]. Journal of Molecular Evolution， 1992， 34（2）： 175-184.

[17]Ogawa K， Kanematsu S， Asada K. Intra-and extra-cellular localization of “cytosolic” CuZn-superoxide dismutase in spinach leaf and hypocotyl[J]. Plant and Cell Physiology， 1996， 37（6）： 790-799.

[18]Hu X， Liu R， Li Y， et al. Heat shock protein 70 regulates the abscisic acid-induced antioxidant response of maize to combined drought and heat stress[J]. Plant Growth Regulation， 2010， 60（3）： 225-235.

[19]Xue D， Jiang H， Hu J， et al. Characterization of physiological response and identification of associated genes under heat stress in rice seedlings[J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2012，61：46-53.

[20]Kurepa J， Van Montagu M， Inz E D. Expression of sodCp and sodB genes in Nicotiana tabacum： effects of light and copper excess[J]. Journal of Experimental Botany， 1997， 48（12）： 2007-2014.