高温胁迫下外源海藻糖改善小麦光合作用的机制

The gradually increasing temperature has adverse effect on photosynthesis of heat reactive crop including wheat.Thylakoid membrane and photosystem are especially sensitive to heat stress. In recent decade, trehalose, a non-reducing disaccharide has been ubiquitously found in plants with trace amounts and is also closely connected with stress resistance. In this research, we increase trehalose concentration in wheat seedlings by its root supply and improve photosynthesis of heat-stressed wheat by comparison of photosynthesis charcters of different treated seedlings. In order to investigate its protection for photosynthesis apparatus,we determine the composition of lipids in thylakoid membrane and phase transition temperature. Meanwhile,we analyze its effect on the structure and function of photosystemⅠand photosystem Ⅱ and detect xanthophyll cycle and reactive oxygen species. Then we elucidate its molecular and metabolic mechanism by analyzing protein expression of thylakiod, gene transcription and the change of metabolites in different wheat seedlings with different heat resistance.This study will have significant meaning for　enriching plant stress physiology and molecular theory, and for directing crop culture and stress resistance breeding including wheat.

温度的日趋升高对小麦等重要热敏感粮食作物的光合作用产生不利影响。进行光合作用的类囊体膜和光系统对高温胁迫尤为敏感。海藻糖是近十年来才认为在植物中也较普遍存在的、量微、与植物的抗逆性密切相关的非还原性二糖。本项目采用根施海藻糖的方法提高海藻糖在小麦体内的浓度，通过比较对照和根施海藻糖植株在高温条件下的光合特性，探讨外源海藻糖对小麦光合作用的改善；测定类囊体膜脂组成及膜脂相变温度，分析外源海藻糖对高温条件下小麦PSⅠ、PSⅡ结构和功能的影响，检测叶黄素循环和活性氧，探讨高温条件下外源海藻糖对小麦光合机构的保护；分析比较抗热性不同的两小麦品种在高温条件下根施海藻糖后叶片类囊体膜蛋白质表达、基因转录及代谢产物的变化，从整体上阐明高温条件下海藻糖改善小麦光合作用的分子及代谢机制。该研究对于丰富植物抗逆生理及分子理论，指导小麦等作物栽培和抗逆育种具有重要意义。

光合作用对高温胁迫极其敏感，温度的日趋升高对小麦的光合作用产生不利影响。海藻糖与植物的抗逆性密切相关，但其在高温胁迫下改善小麦光合作用的机制仍不清楚。该项研究以小麦为实验材料，通过测定叶绿体类囊体膜脂和蛋白质组的变化，分析叶黄素循环和活性氧，光系统结构和功能的改变，从生理和分子水平研究了高温胁迫下根施海藻糖改善小麦光合作用的机制。研究结果如下：高温胁迫下，与对照相比，海藻糖预处理增加了小麦幼苗的半伤害温度，且电导率和丙二醛含量也显著降低，说明海藻糖预处理可以提高小麦的耐热性。（2）外源海藻糖降低了高温胁迫下的光合速率，但对气孔导度没有影响，说明海藻糖引起的光合速率的降低与气孔导度无关；但恢复后光合速率增加，且在一定程度上增加了干重和叶片含水量。（3）高温胁迫下，外源海藻糖降低了PS II的最大光化学效率、PS II的实际光化学效率和被开放的反应中心捕获的激发能的效率，但恢复至常温后比对照增加。非光化学淬灭的变化与PS II的实际光化学效率和被开放的反应中心捕获的激发能的效率正好相反。同时，在海藻糖预处理植株中叶绿素含量降低，β-胡萝卜素和叶黄素循环的脱环化程度升高。这些结果表明，外源海藻糖促进了小麦幼苗高温后的恢复。（4）高温胁迫下，外源海藻糖保护了叶绿体超微结构，改变了叶绿体蛋白质组成分和类囊体膜脂组成，促进了D1蛋白的表达。（5）在高温胁迫下，海藻糖预处理降低了果糖含量以及GA3、IAA、ZT和6-BA等促进植物生长的激素的含量，而对蔗糖、葡萄糖和ABA等却没有影响。（6）高温胁迫显著提高了对照植株中的H2O2含量和O2•-的产生速率。然而，过氧化氢含量在海藻糖预处理植株中低于对照。ASA/DHA比率、CAT和APX活性以及SOD、POD、CAT和APX等抗氧化酶基因的表达也相应增加。研究结果对于丰富植物抗逆生理及分子理论，指导小麦等作物丰产栽培与选育新品种具有重要意义。