马铃薯块茎休眠解除过程中抗氧化机制研究

In our previous studies on mechanism of potato tuber dormancy and sprouting, the differentially expressed genes and proteins related to reactive oxygen species (ROS) and antioxidants were screened in transcriptome and proteome levels. The result suggested that ROS metabolism and antioxidant enzymes might involve in tuber dormancy and sprouting, however, there were no direct evidences and system studies to prove that ROS and antioxidant system took parting in regulation of potato tuber dormancy. To investigate the role of ROS and antioxidant enzymes in the control of potato tuber dormancy, and the relevance of ROS and endogenous plant hormones, we will determine endogenous ROS content and antioxidant enzyme activities and analyze their dynamic changes during potato tuber dormancy release progression. Characteristics of tuber dormancy and sprouting will be assessed by application of endogenous H2O2 scavenger, exogenous H2O2 and inhibitor of antioxidant enzymes on dormant tubers. Eenzyme activities will be regulated using the measures of transgenic overexpression or suppressed expression of antioxidant enzyme (SOD, CAT, APX) genes. The aim of the present research is to elucidate the regulation mechanism of ROS and antioxidant enzymes on tuber dormancy release in physiological, biochemical and molecular levels, and further provide theoretical evidence for regulation of characteristics of potato tuber dormancy and sprouting.

在前期我们对马铃薯块茎休眠与发芽的机理研究中，从转录组水平和蛋白质组水平分别筛选到了与活性氧（ROS）和抗氧化物相关的差异表达基因和蛋白，结果表明ROS和抗氧化系统与块茎休眠的解除密切相关。但目前仍然缺少直接的证据和系统的研究证明ROS和抗氧化系统是否参与了块茎休眠的调控。本项目将通过对马铃薯块茎休眠解除过程中内源ROS及抗氧化物酶活性的动态变化分析，以及使用内源H2O2清除剂，外源ROS和抗氧化物酶抑制剂对块茎进行处理，并通过转基因超量和抑制抗氧化物酶（SOD, CAT, APX）基因表达进行酶活性的调控，以期在生理生化和分子水平上阐明ROS和抗氧化酶系统对块茎休眠的调控机理，为进一步调控马铃薯块茎休眠和发芽特性提供理论依据。

马铃薯块茎的休眠和发芽对于马铃薯的栽培、块茎生产和保鲜加工具有重要的作用。为了阐明马铃薯块茎休眠解除过程中的抗氧化机制，本项目测定了马铃薯块茎休眠解除过程中过氧化氢（H2O2）含量，以及抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）、NADPH氧化酶（NOX）和超氧化物歧化酶（SOD）活性，初步明确了其变化规律。研究了外源激素及低温处理对马铃薯块茎内源激素赤霉素（GA3）和脱落酸（ABA）含量的影响，结果表明外源GA3和ABA处理及低温胁迫可通过改变内源GA3和ABA的含量从而调控块茎的休眠与发芽特性。研究了活性氧类（ROS）和GA相互作用对马铃薯块茎休眠和发芽的调控作用，结果表明ROS能够促进GA的生物合成，GA诱导马铃薯块茎芽中α-淀粉酶活性，从而导致了块茎休眠的打破和发芽；反过来，GA能够刺激NADPH氧化酶的产生，导致表皮细胞ROS的产生。研究了NO和ABA相互作用对马铃薯块茎休眠和发芽的调控作用，结果表明外源硝普钠(SNP) (NO供体) 可激活NOS-like或硝酸盐还原酶(NR)活性，从而促进NO的产生。随后，NO促进ABA的分解代谢，抑制其生物合成。因此，ABA含量降低，破坏了ABA和GA之间的平衡。最后，导致块茎休眠释放和发芽。此外，N-硝基-L-精氨酸甲酯(L-NAME)和钨酸盐能分别抑制NOS-like和NR的活性，2-(4-羧基苯基)-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧自由基-3-氧化物 (c-PTIO)清除NO。最终，NOS-like或NR产生的NO通过块茎芽ABA代谢和信号传导控制马铃薯块茎休眠释放和发芽。另外，对马铃薯块茎休眠解除过程中抗氧化相关APX、CAT、NOX和SOD基因功能进行了研究，初步明确了其在马铃薯块茎休眠解除过程中的作用。取得的结果对于后续培育马铃薯块茎休眠期延长的新品种、马铃薯块茎贮藏与保鲜具有一定的参考和应用价值。