BR诱导辣椒线粒体AOX基因表达及其防御干旱光抑制的作用机制

Drought is the major limiting factor of vegetable crops production in summer in southern China. Brassinosteroid (BR) has shown been alleviated drought-induced photoinhibition by optimizing chloroplast energy balance in crop leaves. BR would up-regulate the expression of mitochondrial AOX gene. It has been suggested that AOX appears to contribute to protection against photoinhibition in plants. However, the signal pathway of BR-induced up-regulation of AOX gene expression, and the defense mechanisms from drought photoinhibition have yet to be deterimined. In this project, we will investigate the signal pathway of BR induced AOX gene expression in pepper leaves. Then, we will examine the changes of alternative respiration, chloroplast energy metabolize, malate/oxaloacetate shuttle, and photoinhibition in pepper leaves with or without inhibitors of alternative respiration under drought treatment. The objective of these studies is to explore the signal pathway of BR induced AOX gene expression, and to address the defense mechanism of BR in the protection of drought-induced photoinhibition in pepper leaves by BR-induced up-regulation of AOX pathway.

干旱是影响南方夏季蔬菜生产的主要逆境，油菜素内酯（BR）可促进叶绿体能量代谢平衡防御作物干旱光抑制。研究表明BR诱导了辣椒叶片线粒体AOX基因表达，而AOX途径增强可有效防御作物逆境光抑制发生；但BR诱导AOX表达的信号通路，以及BR如何通过AOX途径防御干旱光抑制的作用机制尚不清楚。为此，本项目以辣椒为材料，利用叶绿素荧光、生化和分子生物学手段，探索BR诱导AOX表达的信号通路；并从AOX途径通过苹果酸-草酰乙酸穿梭调控叶绿体能量代谢这一角度出发，在探明干旱胁迫下AOX途径对辣椒叶片光抑制、苹果酸-草酰乙酸穿梭及叶绿体能量代谢影响研究的基础上，开展BR诱导AOX途径增强对干旱光抑制、苹果酸-草酰乙酸穿梭、叶绿体能量代谢影响的研究，阐明干旱胁迫下BR通过诱导线粒体AOX途径以调控叶绿体能量代谢防御干旱光抑制的作用机制。研究为利用BR提高作物抗性提供理论和实践指导，具有重要的科学和现实意义。

干旱是影响南方夏季蔬菜生产的主要逆境，油菜素内酯（BR）诱导了辣椒叶片线粒体AOX基因表达，而AOX途径的上调可有效防御作物光抑制发生，然而，BR诱导AOX表达的信号通路，以及BR通过上调AOX途径以防御干旱光抑制的作用机制尚不清楚。本项目以辣椒为材料，利用叶绿素荧光技术、生化和分子生物学手段，探索BR诱导AOX表达的信号通路，并从AOX途径通过苹果酸-草酰乙酸穿梭调控叶绿体能量代谢这一角度出发，阐明BR通过诱导AOX途径以调控叶绿体能量代谢防御干旱光抑制的作用机制。研究表明：（1）BR处理诱导了辣椒叶片细胞内H2O2的产生，进而调控转录因子WRKY和MYB的表达，从而诱导了线粒体AOX的表达。有研究表明，H2O2的产生是由于NADPH氧化酶活性增强的结果，但我们的研究并未发现BR诱导了NADPH氧化酶基因的表达。（2）干旱胁迫诱导了线粒体AOX途径的上调，并可通过苹果酸-草酰乙酸穿梭影响叶绿体内能量代谢和氧化还原状态，对维持叶绿体内能量代谢平衡和防御光抑制具有重要作用；而抑制线粒体AOX活性后，辣椒叶片也可通过增强热耗散和环式电子传递以补偿其能量耗散作用。而弱光干旱胁迫下辣椒叶片主要通过叶绿体内能量耗散途径（热耗散、环式电子传递）以防御光抑制的发生，AOX途径并未起到明显作用。同样的，低温胁迫下线粒体AOX途径的上调也可通过影响叶绿体内能量代谢以防御光抑制。（3）BR处理诱导了苹果酸-草酰乙酸穿梭关键酶NADP-MDH和细胞内抗氧化酶基因的表达，抑制AOX活性则降低了其表达量； BR处理并未直接诱导正常水分条件下辣椒叶片叶黄素循环相关酶ZE和VDE基因的表达，但促进了干旱胁迫下这些基因的表达，抑制AOX活性则降低了ZE和VDE基因的表达。由此可见，BR诱导辣椒叶片AOX途径活性的上调，激活了苹果酸-草酰乙酸穿梭的进行，将叶绿体中产生的过量还原性物质转移至线粒体中通过AOX途径消耗，从而缓解了干旱胁迫下辣椒叶片光合电子传递链的过度还原，减缓了干旱光抑制程度。