Plant Physiol. Bioch. | 热、水胁迫及恢复对棉花叶片生理学和蔗糖代谢的单一和联合影响

论文内容

研究背景：

高温和缺水是重要的非生物因素，其对世界上许多农业地区的作物生长和产量产生不利影响。根据几个模拟模型，这些压力的频率和严重程度预计将在未来增加，尽管植物已经开发了各种适应策略，但预计作物产量将显著下降。如过去的研究所示，暴露于高于最佳温度或有限的供水对植物生理学、代谢和最终产量具有不利影响，损害程度取决于应力的严重程度和持续时间以及应力发生的生长阶段。然而，在田间条件下，已经观察到两种胁迫同时发生，导致显著不同的植物反应，其不能从单独的胁迫中推断。

关于其他作物的研究，包括小麦和草已经表明，与单独胁迫相比，热和干旱胁迫的组合导致显著更高的产量损失，主要是由于光合作用的降低、植物水分和能量平衡的变化以及蔗糖代谢和碳水化合物浓度的干扰。然而，许多其他研究已经报道，取决于胁迫组合和条件，单一胁迫之一可以承担主导作用，其结果是植物对其响应，并且组合胁迫是相似的或甚至是保护作用。在棉花中，Sekmen et al.在盆栽实验中报道，在组合胁迫条件下，干旱胁迫是观察到的棉花抗氧化机制和ROS解毒能力变化的唯一原因。此外，Iqbal等人在20种棉花基因型的田间试验中观察到，热胁迫与干旱相结合，显着降低了棉铃保留率，棉铃重量和籽棉产量，但没有给出详细的生理或代谢解释。研究了4个皮麻棉品种的光合性能在田间试验中监测经受热胁迫和组合的热和干旱胁迫的种质。作者将在受到复合胁迫的植物中观察到的显著较低的光合速率归因于气孔和非气孔限制。然而，尽管它们在植物生长和发育中起关键作用，但它们没有扩展叶碳水化合物状态和蔗糖代谢和它们参与植物对非生物胁迫的耐受性。蔗糖在植物生长调节中具有重要作用，因为它通过降解成己糖为能量产生和生物合成提供底物，而通过其信号传导和ROS清除能力决定植物对非生物胁迫的响应。蔗糖合成酶（SuSy）和可溶性酸性转化酶（SAI）催化蔗糖裂解为己糖。虽然SAI不可逆地将蔗糖降解为葡萄糖和果糖，但SuSy可以可逆地降解或合成蔗糖。然而，在棉花叶中，据报道SuSy作为蔗糖合成酶的活性可以忽略不计，因为蔗糖磷酸合酶（SPS）是主要的蔗糖合成酶。考虑到近94%的棉纤维由蔗糖降解产生的碳水化合物组成，因此认识到监测高温和干旱胁迫对棉花蔗糖代谢影响的重要性。

此外，与存在于热和干旱胁迫条件下的植物响应的丰富信息不同，在胁迫已经减轻之后，对植物生理和代谢响应的关注相当少，而从同时发生的高温和干旱胁迫中恢复的问题更少。在任何非生物压力之后，恢复可能非常复杂，因为它需要协调赔偿和恢复增长的程序。看到植物在非生物胁迫解除后恢复生长的能力与它们对非生物胁迫的耐受性同等重要，需要进一步研究植物缓解胁迫后的反应。

因此，本研究旨在揭示高温和水分亏缺胁迫对棉花营养生长期、胁迫末期和胁迫解除后叶片光合作用、气孔导度、水势、ATP水平、可溶性糖含量和蔗糖代谢相关酶活性的影响。据推测，组合胁迫将有一个更显着的影响叶片生理和蔗糖代谢，并导致不完全恢复相比，单独的压力。

研究内容：

高温和缺水压力限制了世界各地的棉花生产。它们对植物生理和代谢的单独影响已被广泛研究，然而，它们的组合受到的关注相当少。为此，使用棉花品种ST5288B2F，目的是辨别在营养期期间热和水胁迫施加（单一或组合）和恢复后的生理和代谢变化。在水分胁迫条件下，叶片生理参数受到抑制，碳水化合物水平的变化，由于蔗糖代谢酶的活性的改变，进行了观察。热胁迫单独增加碳水化合物的含量，蔗糖降解酶的活性，而叶片生理不受影响。复合胁迫确实加剧了叶水势和可溶性酸性转化酶活性的下降，但其余的反应与水分胁迫相似。胁迫缓解后，水分胁迫植株叶片的生理指标没有恢复，叶片淀粉含量和蔗糖裂解酶活性均显著下降，而热激植株的大部分生理指标恢复到对照水平。恢复的植物进行的组合应力是水胁迫的植物，但观察到显着差异的碳水化合物水平和蔗糖合成酶活性。研究表明，在复合胁迫和胁迫后，水分胁迫是影响棉花叶片生理和蔗糖代谢的主导因子，但某些性状的响应具有单一胁迫加性效应所不能解释的独特性。

研究结论：

结果表明，水分亏缺胁迫比热胁迫的影响更大，导致显着的气孔限制，影响气体交换和能量平衡，并在一定程度上，蔗糖代谢和碳水化合物含量。在胁迫条件下，水分亏缺胁迫和热胁迫组合的效应比单独热胁迫更接近于干旱胁迫。然而，在部分支持我们的假设，热胁迫加剧了干旱对叶水势和SAI活性的负面影响。与我们的假设相反，在缓解胁迫后，除了叶片ATP值之外，在WS和HS × WS植株中观察到所有生理性状的不完全恢复，并且与由于气孔限制引起的持续干旱胁迫效应相关，这进一步证明了水分亏缺胁迫的主导作用。然而，尽管淀粉浓度的反应相似，但WS和HS × WS之间的己糖和蔗糖含量存在显著差异。这些差异主要归因于测量的SuSy活性的差异。综上所述，我们的研究表明，即使棉花植株对HS × WS组合的反应与WS相似，但不仅在胁迫期间，而且在恢复期间，某些性状也可以观察到显著差异。进一步的研究，将包括应力施加在不同的生长阶段与可变的恢复期和品种不同的热或干旱胁迫敏感性显然是必要的，以澄清联合应力的影响。

期刊信息

期刊：Plant Physiology and Biochemistry

影响因子（2022）：6.5

中科院分区：生物学二区

转自：“农科学术圈”微信公众号

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