叶黄素循环对干热胁迫下野生紫花苜蓿的光保护作用及其分子调控机制

Light is the basis of plant life activities. However, the excess of light energy will reduce the photosynthetic efficiency that cause photoinhibition when plants absorb more light energy than needed for the electron transference. Under the conditions of high temperature, drought and strong light, plants will produce photoinhibition. But plants also formed a variety of mechanisms of photoprotection in the long-term evolution process. On account of previous studies, We have found that xanthophyll cycle is the important photoprotection way of wild alfalfa from Yunnan Province under dry and hot stress. But we really don’t know its specific defense function and molecular mechanism of regulation. This project will be studied the photosynthetic characteristics, chlorophyll fluorescence and the variation of components of xanthophyll cycle of wild alfalfa under dry and hot stress, with spraying DDT and AsA. And we will amplify key enzyme of the xanthophyll cycle about genes of violaxanthin deepoxidase by the method of RT-PCR. Then we will analyze its characteristics of bioinformatics. Furthermore we construct sense and RNA interference expression vectors, and transfer VDE gene into tobacco by the Agrobacterium, and analyze VDE gene regulation effects of tobacco xanthophyll cycle. We can figure out the photoprotective effect of xanthophyll cycle on wild alfalfa under dry and heat stress and its molecular mechanisms of regulation through this project. We may provide theoretical knowledge to regulate xanthophyll cycle and to improve the efficiency of photosynthesis of alfalfa through biotechnology way.

光是植物生命活动的基础，然而当植物吸收的光能超过其电子传递所需时，过剩的光能便会造成光合效率降低引起光抑制。植物在高温、干旱和强光等逆境下都会产生光抑制，而植物在长期进化过程中也形成了多种光保护机制。本课题组前期研究发现叶黄素循环是干热胁迫下云南野生紫花苜蓿光保护的重要途径，但其具体的防御功能及调控该循环的分子机制还尚不清楚。本项目以该野生紫花苜蓿为材料，在干热胁迫下喷施叶黄素循环抑制剂DDT和促进剂AsA研究其光合特性、叶绿素荧光和叶黄素循环组分的变化规律，同时采用RT-PCR的方法扩增出调控该循环的关键酶VDE基因，分析其生物信息学特征。构建正义及 RNAi表达载体，将其转入烟草中，分析该基因对烟草叶黄素循环的调控效应。弄清叶黄素循环对干热胁迫下野生紫花苜蓿的光保护作用，阐明调控该循环关键酶作用的分子机制。该研究为通过生物技术途径调控紫花苜蓿体内的叶黄素循从而提高光合效率提供理论基础。

光是植物生命活动的基础，然而当植物吸收的光能超过其电子传递所需时，过剩的光能便会造成光合效率降低引起光抑制。植物在高温、干旱和强光等逆境下都会产生光抑制，而植物在长期进化过程中也形成了多种光保护机制。本研究以分布在干热河谷区的云南野生紫花苜蓿为材料，通过喷洒抗坏血酸（AsA）和二硫苏糖醇（DTT）溶液，在光强均为150 µmolm–2 s–1 的两个人工气候箱内分别设定正常条件为空气湿度75%，恒温22℃，白天14 h，夜间10 h；干热条件为空气湿度30%，白天14 h，32 ℃，夜间10 h，28 ℃。分别在第4、8、12、16和24小时、2天、4天、8天和复水及恢复常温后第4天，测定光合特征，叶黄素循环组分含量，克隆紫黄质脱环氧化酶（VDE）基因，并测定VDE基因表达量及其酶活性。结果表明：（1）干热胁迫下气孔因素和非气孔因素共同导致了野生紫花苜蓿光合速率下降，光系统II（PSII）受到可逆的光抑制；外源AsA有效降低了叶片的光合速率和光抑制程度，而DTT加剧了光抑制程度，降低了叶片热耗散能力。（2）干热胁迫下紫黄质（V）的含量总体显著低于正常条件，玉米黄质（Z）含量随干热胁迫时间延长而逐渐升高；NPQ分别与Z的含量、DPS呈显著正相关，说明叶黄素循环是野生紫花苜蓿在干热胁迫下抵御光抑制、进行光保护的重要途径。（3）利用RACE技术克隆了VDE基因的全长cDNA全长序列，CDS编码区1608 bp，编码535个氨基酸，并具有VDE基因家族的三个特征结构域，与蒺藜苜蓿相似性达100%。（4）干热胁迫后期VDE基因表达量较正常条件平均上调了2.05倍，差异极显著，外源DTT使VDE基因表达量平均下调了55%。干热胁迫显著降低了紫花苜蓿VDE酶活性。转入野生紫花苜蓿的正义VDE基因后显著提高了烟草叶片VDE基因表达水平，同时提高了烟草叶片中的VDE酶活性。（5）由本项目资助发表科研论文3篇，出版专著1部，授权软件著作权1项，受理实用新型专利1项，发布团体标准1项，审定国家牧草品种1个。培养硕士研究生1名，博士研究生1名。