低温胁迫下果实组织结构和生理变化及化学调控机理研究

低温贮藏是延缓园艺产品采后成熟、抑制病原菌生长和保持品质的常规方法。然而，许多园艺产品对低温(一般低于10 ºC~12 ºC)相当敏感，如果贮藏温度过低，就易产生冷害，降低其商业价值。所以研究采后园艺产品的冷害机制及如何提高其抗冷性是具有潜在经济价值的科学问题。水杨酸甲酯和茉莉酸甲酯是植物产生的信号物质，有研究表明这两种物质能够缓解低温贮藏下果实的冷害程度或提高果实的抗冷性，但是相关的作用机理并不清晰。本论文以芒果、桃和黄瓜为材料，研究水杨酸甲酯或茉莉酸甲酯处理的果实在冷害或非冷害贮藏条件下的抗氧化代谢、酚类物质代谢、细胞膜完整性以及细胞壁成分和结构等方面的变化，进一步证实了水杨酸甲酯和茉莉酸甲酯能够缓解果实的冷害，同时还探讨了提高抗冷性的机制。 　　本论文采用扫描电子显微镜研究果实表皮蜡层的变化，用光学显微镜、透射电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪研究果实细胞壁结构和成分的变化，用原子吸收分光光度计测定细胞壁钙离子的变化，用电导率仪检测果实细胞的完整性。同时测定了果实酚类物质含量、多酚氧化酶(EC 1.10.3.1)活性、过氧化物酶(EC 1.11.1.7)活性，并分析了果实硬度、糖和酸含量等品质指标。试验结果表明：适宜浓度的水杨酸甲酯和茉莉酸甲酯均能缓解果实的冷害症状，提高果实的抗冷性。其中，水杨酸甲酯处理能够改变果实表皮蜡层结构;降低表皮脂类物质和细胞壁酚类物质积累;抑制细胞壁纤维物质的降解，调节果胶物质的溶解，保护细胞壁结构。茉莉酸甲酯处理可以保护细胞膜的完整性;调节果实的酚类物质代谢，缓解果实的酶促褐变;抑制细胞壁果胶物质和纤维物质的降解，维持细胞壁结构和果实的硬度，有利于提高果实的抗冷性和缓解果实冷害。 　　虽然不同的果实表现的冷害症状不完全相同，但是低温胁迫对植物组织结构(膜系统和细胞壁结构)的破坏是造成果实冷害的根本原因。提高果实抗冷性的各种调节机制归根结底是通过保护细胞正常结构而发挥作用的。水杨酸甲酯与茉莉酸甲酯处理保护了果实的组织结构，缓解了低温胁迫对果实的伤害，提高了果实的抗冷性。然而，果实自身物质成分的差异是造成冷害症状表现不同的主要原因。 　　

水稻冷诱导基因OSCOIN的功能分析

对于双子叶模式植物拟南芥在逆境应答中的机理研究已取得了很大的进展，但在单子叶植物中的相关研究相对滞后。在单子叶植物水稻中仅仅报道了一些转录因子类基因以及与代谢有关的酶类基因，但与低温有关的分子伴侣、离子通道和载体等类基因的研究少见报道。 受低温诱导的水稻基因OsCOIN（AK104280）来自水稻10K cDNA芯片，它的cDNA全长有1593bp，开放阅读框内为1089bp，编码363个氨基酸，蛋白质的计算分子量42kDa，等电点5.25。在基因组序列中有7个外显子，6个内含子。生物信息分析显示，OsCOIN在第72—106氨基酸间形成一个指环结构域。OsCOIN蛋白没有跨膜区，定位于细胞质和细胞核。通过酵母双杂交实验证明了指环蛋白OsCOIN没有转录活性，故不是转录因子。RT-PCR结果表明，OsCOIN在所选的11种水稻组织中都有不同程度的表达，4C处理0.5h时OsCOIN基因开始较强地表达，持续较强地表达到4C处理48小时，72h时OsCOIN的表达量下降到起始的水平。另外,该基因表达还受ABA和盐诱导。 利用农杆菌介导的转化手段，得到三个OsCOIN超表达株系和六个RNAi株系。RNAi株系分蘖增多、植株矮化。为了分析OsCOIN与逆境胁迫的关系，实验中分析了超表达植株对低温等胁迫的耐性。结果表明，4C处理60h、72h、84h后，所有植株都出现萎蔫，恢复生长两周后超表达植株的存活率(分别为76.2%、71.4％和50％)明显高于野生型的存活率(分别为52.4%、22.2%和14.8%)。超表达OsCOIN水稻中，OsLti6b、OsNAC6和OsP5CS的表达量明显增加，而OsDhn1和OsDREB1a的表达量明显地降低，OsCDPK7和OsLti6a表达水平未受影响。 上述结果表明OsCOIN基因的过量表达抑制了OsDhn1和OsDREB1a的表达，促进了OsLti6b、OsNAC6和OsP5CS的表达。OsCOIN基因参与的低温响应途径与ABA相关，OsCOIN超表达植株不仅能耐低温，而且对盐和干旱胁迫有一定的抗性。

采后果实衰老和冷害的机理及调控研究

衰老和冷害是果实采后极易发生的两种重要的生理性失调，严重影响了果实的商品质量和市场价值。本论文选用在采后贮藏期间容易衰老和出现冷害的枇杷、杧果和桃果实作为研究材料，比较深入系统地研究了这些果实采后衰老或冷害的机理和调控。主要的研究内容包括：（1）枇杷果实在不同贮藏条件下（低温、气调）的生理代谢、品质变化、衰老进程和贮藏性;（2）杧果果实采后生理特性及外源草酸和水杨酸处理对杧果冷害、品质和活性氧代谢的影响;（3）桃果实在低温贮藏下冷害发生特征，并从氧化还原平衡和蛋白质组表达方面探讨了桃果实采后冷害的发生机理。 试验结果表明：（1）与自发气调包装（MAP）相比，气调（CA, 10% O2＋1%CO2）能更有效的抑制枇杷果实的腐烂、延缓衰老、保持品质，以及控制多聚半乳糖醛酸酶（PG）和多酚氧化酶（PPO）的活性。枇杷果实在1 ºC气调下贮藏50天，腐烂指数低于7%，并保持固有的风味品质。短时间的高氧处理对果实腐烂和品质影响不大，促进了贮藏后期果实内乙醇的积累;（2）外源草酸和水杨酸处理显著减轻了杧果果实在贮藏期间的冷害程度，但对果实的硬度、可溶性固型物和可滴定酸含量影响不大。外源草酸和水杨酸提高了果实内抗坏血酸和谷胱甘肽的还原状态、提高了H2O2含量、降低了O2-含量和脂氧合酶活性，并提高了超氧化物岐化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、抗坏血酸氧化酶和谷胱甘肽还原酶的活性;（3）与非冷害桃果实相比，冷害桃果实呈现较低的H2O2含量、较高的膜透性、较高的酚类物质含量以及较高的抗坏血酸和谷胱甘肽还原状态。水杨酸对果实内H2O2含量、膜透性、酚类物质含量有显著的影响。冷害桃果实与非冷害桃果实的蛋白质表达也有明显的区别，32个差异表达蛋白依其功能分为8类，分别为能量产生、代谢、次生代谢、抗性、蛋白质的分布、基因转录、细胞结构和细胞生长。水杨酸对其中20个蛋白质的表达有显著影响。烯醇化酶、脂质运载蛋白、脱水蛋白、分支酸变位酶以及桂醇脱氢酶等与桃冷害发生有密切关系。 通过对上述结果的分析，得出如下结论：（1）与MAP相比，CA（10% O2 + 1% CO2）可显著延缓枇杷果实的衰老、腐烂和品质下降，CA延缓枇杷衰老的作用机理可能与其减轻果实内氧胁迫、降低PG和PPO活性有关;（2）用外源草酸或水杨酸处理杧果，可减轻贮藏期间果实的冷害程度，其调控机制可能与提高果实抗坏血酸和谷胱甘肽的还原状态、抑制O2－含量和提高H2O2含量有关;（3）在低温贮藏下，桃冷害发生与果实内较低的H2O2含量、生物膜完整性的破坏以及酚类物质含量增加密切相关，果实生物膜完整性的破坏与烯醇化酶、脂质运载蛋白、过敏蛋白以及脱水蛋白的下调表达有关，而酚类物质含量的增加与分支酸变位酶、桂醇脱氢酶的上调表达有关。

水杨酸在水稻抗冷性中的作用

近年来大量研究表明水杨酸（salicylic acid, SA）在植物抵抗生物胁迫与非生物胁迫中都发挥着重要作用。然而在一些单子叶植物如水稻中SA的作用迄今仍不是很清楚。为了更深入地了解SA在水稻抵御冷胁迫中的作用，本研究选用两个抗冷性不同的水稻品种：‘长白九’（Oryza sativa cv. ‘Changbaijiu’）和‘中鉴’（Oryza sativa cv. ‘Zhongjian’）作为实验材料，其中‘长白九’为抗冷性较强的品种，而‘中鉴’为冷敏感的品种。在水稻幼苗长至三叶期后，分别对其施以三种浓度（0.5 mM, 1.0 mM, 2.0 mM）的SA溶液预处理24 h，然后置于5 °C下进行冷处理24 h。形态学观察及各项指标的测定结果表明： 一、冷处理后，‘长白九’和‘中鉴’根与叶片中的SA含量都大幅提高，且结合态SA升高的幅度明显大于其自由态形式。 二、外施不同浓度的SA溶液于水稻根部，24 h后，大量SA尤其是结合态SA积累于根中，且其积累量与处理浓度成正相关;而叶片中积累的SA则较少。 三、形态学及生理指标的测定结果显示，SA预处理没有提高甚至降低了两个水稻品种幼苗的抗冷性。并且SA处理浓度越大，幼苗受到冷伤害程度的越高。 四、对水稻幼苗叶片与根中的抗氧化酶活性进行分析发现，常温下SA处理显著提高了‘长白九’和‘中鉴’根中过氧化氢酶（catalase, CAT）和谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase, GR）的活性;而在低温下SA预处理反而降低了两种水稻叶片与根中部分抗氧化酶的活性，推测低温下抗氧化酶活性的下降可能与水稻幼苗抗冷性的降低有关。 五、尽管两个水稻品种具有不同的冷敏感性，然而外施水杨酸均加剧了其低温伤害。分析认为，外施水杨酸后，水稻根部大幅升高的内源SA水平可能加剧了活性氧的产生，破坏了植物细胞内部的氧化还原平衡，从而导致水稻幼苗受到的冷害加重。