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低温胁迫下脱落酸对线粒体膜磷脂酶D活性的影响

2017-05-30何文平张旭强杨鹏军仇奕之王新霞杨宁

广西植物 2017年6期
关键词:低温胁迫脱落酸信号转导

何文平 张旭强 杨鹏军 仇奕之 王新霞 杨宁

摘要: 高山離子芥(Choraspora bungeana)是一种稀有高山冰缘植物,其生活环境具有低温、强紫外线等胁迫因子。PLD在膜磷脂降解及磷脂信号转导过程中发挥着重要作用,但其活性往往受到多种因素的影响。该研究以高山离子芥试管苗为材料,研究了4 ℃、0 ℃和-4 ℃胁迫下,ABA对高山离子芥试管苗叶中线粒体膜结合态PLD活性的影响。结果表明:10, 50和100 μmol·L1 脱落酸(ABA)处理高山离子芥后,线粒体膜结合态PLD活性均较未添加ABA的处理组线粒体膜结合态PLD活性高,其中以50 μmol·L1 ABA对离子芥叶中线粒体膜结合态PLD活性的促进作用最为显著;外施0.3 mmol·L1 的ABA合成抑制剂钨酸钠处理高山离子芥后,线粒体膜结合态PLD活性较对照组线粒体膜结合态PLD活性降低;在50 μmol·L1 ABA + 5 mmol·L1 EGTA处理组中,高山离子芥叶中线粒体膜结合态PLD活性低于未添加EGTA处理组线粒体膜结合态PLD活性;在0.3 mmol·L1 钨酸钠 + 10 mmol·L1 CaCl2处理组中,高山离子芥叶中线粒体膜结合态PLD活性高于未添加CaCl2处理组线粒体膜结合态PLD活性。由此推测,低温胁迫下ABA可能通过Ca2+介导影响高山离子芥叶中线粒体膜结合态PLD的活性。

关键词: 低温胁迫, 高山离子芥, 脱落酸, 磷脂酶D, 信号转导

中图分类号: Q945.78

文献标识码: A

文章编号: 10003142(2017)06074207

Abstract: Choraspora bungeana is a kind of rare alpine periglacial plant. The environment that C. bungeana lives in has many stress factors such as low temperature, strong ultraviolet. PLD plays an important role in degradation of membrane phospholipids and signal transduction of phospholipids. But the activity of PLD is affected by many factors usually. In this study, the plantlets of C. bungeana was used as experimental materials to study the effects of abscisic acid (ABA) on the mitochondrial membrane boundPLD activity in the leaves of plantlets of C. bungeana under low temperature (4, 0 and -4 ℃). The results indicated that when plantlets of C. bungeana was treated by 10, 50 and 100 μmol·L1 ABA, the mitochondrial membrane boundPLD activity was higher than that in the group without ABA. Among these concentrations of ABA, 50 μmol·L1 ABA was more effective to promote the mitochondrial membrane boundPLD activity compared with ABA of other concentrations. Sodium tungstate was an inhibitor of endogenous ABA biosynthesis and EGTA was a chelating agent of Ca2+, both of them had an important role in researching the signal transduction of ABA and Ca2+. When the plantlets of C. bungeana was treated by 0.3 mmol·L1 Sodium tungstate, the mitochondrial membrane boundPLD activity in the leaves of plantlets of C. bungeana was lower than that in the control without sodium tungstate. When the plantlets of C. bungeana was treated by 50 μmol·L1 ABA+ 5 mmol·L1 EGTA, the mitochondrial membrane boundPLD activity in the leaves of plantlets of C. bungeana was lower than that in the group without EGTA. When the plantlets of C. bungeana was treated by 0.3 mmol·L1 sodium tungstate + 10 mmol·L1 CaCl2, the mitochondrial membrane boundPLD activity in the leaves of plantlets of C. bungeana was higher than that in the group without CaCl2. From above results, ABA could affect on the mitochondrial membrane boundPLD activity in the leaves of plantlets of C. bungeana by Ca2+ under low temperature.

Key words: low temperature stress, Choraspora bungeana, abscisic acid (ABA), phospholipase D, signal transduction

适宜的温度是植物生长的必要条件,而低温能对植物的生长产生显著的胁迫影响。0 ℃以下低温胁迫和0 ℃以上低温胁迫均能对农作物产生不同程度的低温冻害和低温冷害(王向辉,2011)。因此,在植物体中有关植物抗寒的分子机制和生理功能备受人们的关注。在植物的细胞膜中广泛分布着磷脂,而磷脂对生物膜的活性及机体正常代谢具有重要的调节作用(杨志彪,2008)。植物的抗寒能力与膜磷脂有关,且生物膜结构的稳定性及功能的完整性直接与植物抗寒机制相联系(许英等,2015)。因此,磷脂对于植物的抗寒性来说意义重大。PLD是一类酯键水解酶,催化磷脂分子的水解。在植物磷脂降解反应中PLD被认为是起始酶类。PLD催化磷脂水解的产物之一是磷脂酸(PA),而PA极不稳定,一部分易转化为二酰基甘油(DAG)参与下游反应,剩余部分又参与膜的重建(Meijer et al,2003)。因此,PLD既参与膜的降解又参与膜的重建,又在植物抗逆性中如低温、干旱等方面发挥重要作用(Moreno et al,2010)。PLD酶促反應的产物PA是一个重要的第二信使,参与多种信号转导事件,而PLD活性调节又与Ca2+等因素有关,因此PLD是一个很重要的信号酶。脱落酸(ABA)具有的生理功能较广泛,在植物发育调控中占有重要位置(Mundy et al,1990)。ABA对植物发育事件的调控主要通过ABA的信号转导来进行(霍妙娟等,2007)。低温胁迫会造成机体中ABA的积累,在植物中ABA含量与植物抗寒性有关(张严伟,2013)。此外,ABA与抗氧化系统的关系密切,在水分胁迫和盐胁迫中用ABA合成抑制剂处理植物,会对植物抗氧化系统的诱导产生抑制(Jiang & Zhang,2002;BellAaire,2000)。在信号转导过程中,ABA能促进胞内Ca2+水平升高,但也会引起胞内Ca2+水平下降(Bush,1995),表明ABA对Ca2+信号的产生及Ca2+稳态的改变起一定的调控作用。Lee(1996)研究表明,外源ABA能使蚕豆细胞中IP3的浓度在短时间内迅速增加,并产生类似于Ca2+震荡的现象,这可能从另外一个角度说明细胞产生钙震荡现象的原因。

关于PLD与ABA之间的相互作用已有报道,但这些报道大多是关于PLD对ABA的作用。例如在植株叶片中反义抑制PLDα1,则减弱了ABA引起的叶片衰老(Fan et al,2004);Zhang et al(2004)研究表明PLD催化磷脂水解的产物PA能调节ABA信号负调控因子ABI1;以往的研究还发现PLD和PA对ABA的调控可能存在对立和统一的关系(张群,2009)等。而关于ABA对PLD作用机制的研究报道较少,很多细节问题还需要进一步探讨。本研究以高山离子芥试管苗为材料,研究低温(4 ℃、0 ℃、-4 ℃)胁迫下ABA对PLD的作用,以期为以后研究ABA与PLD之间的信号转导提供部分理论依据。

1材料与方法

1.1 材料培养与处理

高山离子芥(Choraspora bungeana)来自于新疆天山乌鲁木齐河源区。将去皮的种子用70%乙醇浸泡,再用0.1%升汞浸泡5~8 min,无菌水冲洗3次,种子直接接种于含有3%蔗糖的MS培养基中,于25 ℃,2 000 lx,12 h光周期条件下培养。待种子萌发,长至一定高度后,将试管苗接种于培养基(MS + 0.2 mg·L1 6BA + 30 g·L1 蔗糖 + 7.8 g·L1 琼脂,pH 5.8)中,培养15 d。

ABA的处理:将生长旺盛,长势良好的高山离子芥试管苗接种于含不同浓度(10、 50、100 μmol·L1 )ABA的培养基中,每瓶至少接种3株,每处理3个平行。钨酸钠的处理:将0.3 mmol·L1 钨酸钠混匀于不含ABA的培养基中然后将生长旺盛、长势良好的高山离子芥试管苗接种于该培养基中。EGTA的处理:5 mmol·L1 EGTA喷施于生长在含有50 μmol·L1 ABA培养基中的高山离子芥试管苗叶片上。CaCl2处理:将10 mmol·L1 CaCl2 + 0.3 mmol·L1 钨酸钠混匀于不含ABA的培养基。

以上处理的材料均置于人工培养箱中,分别在4 ℃,0 ℃和-4 ℃中低温培养6~72 h。

1.2 方法

1.2.1 高山离子芥磷脂酶D的制备磷脂酶D的制备根据Mao et al(2007)的方法,略作改变。取0.2 g高山离子芥置于预冷的研钵中研磨,以10 mmol·L1 pH 7.0 的HEPES 为提取缓冲液,研制成10%的匀浆,转入到离心管中于高速台式离心机(Beckman,型号:Allegram64R)以1 000 ×g(Rotor:F1010)离心15 min去掉碎片。上清液以15 000 ×g(Rotor:F1010)的离心力离心60 min得到线粒体膜蛋白,所得到的这些蛋白融于100 mmol·L1 ,pH 6.5的DMG中,此时的溶液为线粒体膜结合态PLD酶液。

1.2.2 磷脂酶D活性的测定磷脂酶D活性的测定用酶联免疫法(Yong et al,1997),在离心管中配200 μL的反应体系,其中100 mmol·L1 DMG(pH 6.5),10 mmol·L1 MgCl2,0.1 mmol·L1 CaCl2,5 mmol·L1 亚油酸,20 μL酶液以及12 mmol·L1 PC(最后加入)。反应体系于30 ℃水浴中反应30 min,然后在沸水浴中反应15 min 以终止反应。冷却后加入显色液800 μL,在30 ℃水浴中反应60 min,待色泽稳定后加入脱蛋白液,摇匀,用0.22 μL孔径的滤膜滤去杂蛋白,最后于紫外可见分光光度计(Agilent,型号:G1115A)中在500 nm处测OD值。

1.2.3 数据分析用SPSS 17.0对统一处理随时间变化的差异性多重比较采用LSD法分析,在Microsoft Excel 2003中作图。图片用Power point整合。

2结果与分析

2.1 不同浓度ABA对线粒体膜结合态PLD活性的影响

在4 ℃、0 ℃和-4 ℃条件下,不同浓度ABA对PLD活性的影响如图1所示。在4 ℃时,未添加ABA处理(对照组)的高山子芥叶片中线粒体膜结合态PLD活性在0~72 h过程中持续升高(图1:A);而在0 ℃和-4 ℃条件下,PLD活性在0~6 h过程中增加,随后降低(图1:B,C)。当施加不同浓度ABA处理后,在三个温度下PLD活性较对照组均普遍升高(图1:A,B,C),说明各浓度ABA均能促进PLD活性增加。但是不同浓度ABA对PLD活性的促进作用具有差异性:在4 ℃和0 ℃条件下,50 μmol·L1 >100 μmol·L1 >10 μmol·L1 (图1:A,B);而在-4 ℃条件下时,则表现出50 μmol·L1 >10 μmol·L1 >100 μmol·L1 (图1:C)。4 ℃和0 ℃条件下各浓度ABA对PLD活性的促进作用规律不同于-4 ℃条件下的,推测低温刺激强度的增加可能改变PLD对ABA的敏感性,其中以50 μmol·L1 ABA对PLD活性的影响最显著,在4 ℃和-4 ℃条件下,当胁迫处理到48 h时PLD活性最大,分别高出对照组111.6%和300.9%;而在0 ℃条件下,当胁迫处理到72 h时PLD活性达到最大值,此时高出对照组623.1%。

2.2 钨酸钠对线粒体膜结合态PLD活性的影响

在4 ℃、0 ℃和-4 ℃条件下,用0.3 mmol·L1 钨酸钠处理高山离子芥后,其叶中线粒体膜结合态PLD活性的变化如图2所示。在三个低温条件下,钨酸钠处理组PLD活性较对照组均出现不同程度降低(图2:A,B,C),且在4 ℃和-4 ℃条件下72 h时,与对照组相比,PLD活性较其他时间点下降最低,分别下降了13.8%和26.9%;在0 ℃条件下48 h时,与对照组相比,PLD活性较其他时间点下降最少,下降了15.9%。说明在低温胁迫下,钨酸钠抑制了PLD活性。其中4 ℃时,钨酸钠处理组的PLD活性的变化规律与对照组非常相似(图2:A);而0 ℃和-4 ℃时,钨酸钠处理组的PLD活性的无明显变化规律(图2:B,C)。

2.3 ABA和ABA+EGTA处理对线粒体膜结合态PLD活性的影响

在4 ℃、0 ℃和-4 ℃条件下,用50 μmol·L1 ABA + 5 mmol·L1 EGTA处理高山离子芥后其PLD活性的变化如图3所示。加入EGTA处理后的PLD活性均较未添加EGTA处理的PLD活性低(图3:A,B,C);且在4 ℃和0 ℃条件下6 h,与未添加EGTA处理的处理组相比,PLD活性较其他时间点而言下降最少,分别下降了55.7%和20.5%;在-4 ℃条件下72 h时,与未添加EGTA处理的处理组相比,PLD活性较其他时间点而言下降最少,下降了52.1%。表明在低温条件下EGTA能降低ABA诱导的线粒体膜结合态PLD活性。

2.4 钨酸钠和钨酸钠+CaCl2处理对线粒体膜结合态PLD活性的影响

在4 ℃、0 ℃和-4 ℃条件下,用0.3 mmol·L1 钨酸钠 + 10 mmol·L1 CaCl2处理高山离子芥后,PLD活性的变化如图4所示。在0.3 mmol·L1 钨酸钠 + 10 mmol·L1 CaCl2处理组中,线粒体膜结合态PLD活性均较未添加CaCl2处理的处理组表现出不同程度的升高(图4:A,B,C);且在4 ℃,0 ℃和-4 ℃条件下,分别在72,48和24 h时,与钨酸钠处理组相比,PLD活性较其他时间点而言上升最少,分别高出钨酸钠处理组11.2%、35.4%和76.7%。

结合图2结果说明,在低温胁迫下钨酸钠能抑制线粒体膜结合态PLD活性,而CaCl2的加入能缓解钨酸钠对线粒体膜结合态PLD活性的抑制效果。

3讨论

在植物中PLD是一类磷脂水解酶,不仅能催化磷脂的水解,而且在维持膜结构和功能方面均发挥着重要的作用(崔德才等,2000)。ABA在植物生长发育及抗逆性方面具有重要意义,其与细胞中的信号分子如Ca2+关系密且(杨洪江,2001)。植物的膜系统一般认为是低温伤害对植物产生作用的最初部位(滕中华等,2001), PLD在膜的降解及稳定性的调控中起到非常重要的作用,因此关注PLD活性调控对于研究植物抗寒性具有重要意义。

ABA作为植物激素中的一种,与植物信号转导息息相关,具有广泛的生理功能。在本研究中,不同低温条件下,ABA均能促进PLD活性的增加。钨酸钠是一种ABA合成的抑制剂(Hansen & Ggrossmann,2000)。本研究中,当用钨酸钠处理高山离子芥后降低了其叶中线粒体膜结合态PLD活性,说明低温胁迫下ABA参与线粒体膜结合态PLD活性的调控,ABA合成与否直接影响PLD活性。在低温下,植物一般会启动ABA合成系统而合成大量的ABA(刘红娟等,2008),合成的ABA能引起一系列的生理生化事件来调控植物气孔的关闭。此外植物对激素所作出的反应一般认为是通过细胞质中Ca2+浓度变化来实现的(宋秀芬等,2001)。许涛等(2007)研究表明,乙烯對番茄花柄脱落的诱导作用可被Ca2+螯合剂EGTA所抑制;而ABA对气孔打开的抑制作用被EGTA所抑制(Suhita et al,2003);细胞分裂素诱导长春花生物碱的合成依赖于Ca2+( Merillon et al,1991);进一步的研究表明,Ca2+对ABA信号通路的调控可能是通过Ca2+依赖于蛋白激酶磷酸化ABA信号通路上的转录因子如ABF1,ABF4来实现(Zhu et al,2007)。本研究中,在4 ℃, 0 ℃和-4 ℃条件下,用ABA和Ca2+螯合剂EGTA处理高山离子芥后,此时线粒体膜结合态PLD活性较未添加EGTA处理的处理组低;此外,用钨酸钠处理高山离子芥后再用CaCl2处理,则线粒体膜结合态PLD活性较未添加CaCl2处理的高。说明在低温胁迫下,ABA对高山离子芥叶中线粒体膜结合态PLD活性的调控与Ca2+有紧密的联系。

在低温胁迫下植物往往会增加细胞膜的渗透压(Boudsocq & Lauriere,2005),细胞膜渗透压的升高可以引起胞外Ca2+内流造成胞质内Ca2+浓度的增加(Chinnusamy et al,2004)。而ABA能激活细胞内向钙离子通道(Gilory & Trewvaas,1994)和质膜上非选择性离子通道(Dang et al,1995);由此胞外Ca2+能顺着浓度梯度进入胞质中。此外胞内钙离子还可以通过胞内钙库释放Ca2+进入胞质从而增加胞质中Ca2+的浓度;而在这条途径中比较典型的是通过第二信使IP3与其特异性受体结合后,在这过程中ABA可能通过调控IP3从而促进胞内钙库释放Ca2+。由此可知,ABA可通过多种途径来调控胞内Ca2+含量,但在低温胁迫下ABA具体通过什么途径来影响细胞中Ca2+水平从而影响PLD活性,目前仍不清楚,需要进一步的研究。

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