高温、CO2耦合条件下温室黄瓜光合作用调节机制及蛋白质组学研究

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黄瓜(Cucumis sativus L.)是设施栽培的重要蔬菜作物。北方夏季光照资源丰富,光合利用率高,但夏季北方日光温室不可避免会产生高温胁迫,即使加强通风仍不能缓解,甚至会引起病虫害发生。目前,大气CO2浓度升高(CO2加富)成为全球气候变化的主要组成部分,因此CO2加富对植物生长、陆地生态系统结构和功能的影响成为国内外研究热点。当前,普遍认为加富CO2能够促进植物光合作用,同时提高植株最适光合温度,但目前尚缺乏对高温、CO2耦合条件下植株光合作用调节机制的探究,特别是对高温、加富CO2条件下黄瓜蛋白质组的研究。本试验选用“津优35号”黄瓜为接穗,“云南黑籽南瓜”为砧木的温室嫁接黄瓜为试材,试验在同一温室、各处理间完全隔离的独立区域内进行。分别研究高温、加富CO2对黄瓜光合作用日变化和长期变化的影响;高温与不同CO2浓度耦合对黄瓜光合作用、抗氧化酶活性、淀粉代谢等的影响;以及高温、加富CO2对黄瓜叶片蛋白质组水平的影响。以探究高温、加富CO2条件下温室黄瓜光合作用的生理及分子响应机制。主要研究结果如下:1.加富CO2条件下黄瓜光合作用日变化和长期变化对高温的响应:单纯高温处理的黄瓜光合作用受到明显抑制,全天净光合速率、光合关键酶活性、株高、茎粗、叶面积及单瓜重均显著降低,高温、加富CO2处理可显著缓解高温胁迫,并显著提高光合“午休”时段的净光合速率,在长期处理中,还能通过加速淀粉分解,消除常温、加富CO2产生的“光合反馈抑制”,最终使整个处理期间的光合作用较对照显著提高。2.高温与不同CO2浓度耦合对黄瓜生长和衰老的影响:高温条件下,加富高浓度CO2(1200~1600μmol/L)能够显著促进黄瓜单叶叶片生长、叶绿素合成,在植株生长前期(21 d)净光合速率、抗氧活酶活性、淀粉和可溶性糖含量显著提高,生长后期(28 d)可溶性糖含量降低,淀粉积累,植株分解淀粉能力下降、丙二醛(MDA)含量显著升高,植株老化加速;加富中浓度CO2(900~1200μmol/L)能显著促进黄瓜叶片生长、净光合速率、淀粉和可溶性糖含量提高,其光合作用在整个黄瓜生育期间均显著高于对照,处理28 d后的抗氧化酶活性显著高于对照、MDA含量显著低于对照,植株老化速度减慢,但在处理前期(21 d)的促进效果小于加富高浓度CO2;加富低浓度CO2(500~900μmol/L),对黄瓜叶片生长没有显著促进作用,但能通过提高叶绿素含量,显著提高净光合速率,与对照相比,在生长后期(28 d)MDA含量最低,在一定程度上也起到了延缓植株衰老的作用。3.高温、加富CO2耦合对黄瓜叶片蛋白质组的影响:在高温、加富CO2耦合处理中鉴定到的差异蛋白质数量和其中上调蛋白比例均高于高温处理,许多受高温、加富CO2上调的蛋白均为受高温胁迫下调的蛋白。受高温、加富CO2耦合调控的差异表达蛋白质富集到的GO注释条目,只与生物过程有关,而受高温处理调控的差异表达蛋白质富集到的GO注释条目,与生物过程、细胞组分和分子功能都有关,推测高温、加富CO2耦合通过调控生物过程相关的差异蛋白质表达,能够缓解甚至消除高温胁迫对黄瓜叶片细胞组分和分子功能在蛋白质组水平上的影响,从而促进黄瓜光合作用。
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