植物活體成像系統(tǒng)應(yīng)用探究褪黑素對低溫脅迫下油菜幼苗抗寒性的影響

近日，西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院揭示了NO和Ca²⁺通過激活油菜幼苗的MAPK級聯(lián)參與Mel誘導(dǎo)的耐寒性的增強(qiáng)，且NO和Ca²⁺信號之間可能存在串?dāng)_。相關(guān)研究成果以“Involvement of NO and Ca²⁺ in the enhancement of cold tolerance induced by melatonin in winter turnip rape (Brassica rapa L.)”為題發(fā)表在《Plant Physiology and Biochemistry》（IF＝5.437）。
 

▲  《Plant Physiology and Biochemistry》

低溫是限制植物生長、地理分布和產(chǎn)量的主要環(huán)境因素。低溫脅迫對植物的影響主要表現(xiàn)在細(xì)胞水的失調(diào)、膜系統(tǒng)的破壞、氧化還原平衡的失調(diào)、光合速率的降低以及生理代謝等的改變。

褪黑激素（Mel）是一種廣泛存在于動(dòng)物和植物中的吲哚類色胺。在第一個(gè)植物Mel受體CAND2/PMTR1被鑒定后，植物褪黑激素被認(rèn)為是一種植物激素，廣泛參與種子發(fā)芽、植物生長發(fā)育、根部形態(tài)發(fā)生和果實(shí)成熟。

然而，越來越多的研究揭示了Mel在增強(qiáng)植物對生物和非生物脅迫的抵抗力方面的功能。Ca²⁺或NO作為兩個(gè)信號分子，在執(zhí)行Mel功能時(shí)發(fā)揮著重要作用，但這些信號分子是否也參與Mel介導(dǎo)的油菜種子幼苗的耐寒性，以及它們之間是否存在串?dāng)_，仍然是未知的。

為了研究Mel對耐寒性的增強(qiáng)是否依賴于Ca²⁺和NO信號傳導(dǎo)，本研究以 "龍油8號 "品種為實(shí)驗(yàn)材料，初步研究了外源性Mel對冷脅迫下油菜幼苗Ca²⁺濃度和NO含量的影響，并且為了進(jìn)一步證明這兩種信號分子在Mel介導(dǎo)的耐寒性中的作用，研究人員還測定了不同處理下各種抗氧化酶和MAPK級聯(lián)中兩個(gè)關(guān)鍵酶，即MAPK3和MAPK6的基因表達(dá)水平。
 

▲  用于研究NO和Ca²⁺在Mel誘導(dǎo)的耐寒性增強(qiáng)中的作用的處理方案

在本研究中，NO合成抑制劑或Ca²⁺信號阻斷劑處理明顯抑制了Mel對冷脅迫下油菜幼苗的生物量、滲透平衡、氧化還原平衡和光合效率的調(diào)節(jié)作用，說明Ca²⁺和NO信號的參與提高了Mel介導(dǎo)的耐寒能力。

低溫對油菜幼苗造成了嚴(yán)重的損害，表現(xiàn)為油菜幼苗相對含水量的減少、氧化應(yīng)激的產(chǎn)生和光合作用的抑制。然而，用Mel預(yù)處理可以顯著緩解低溫誘導(dǎo)的損傷，因此Ca²⁺和NO對于Mel介導(dǎo)的油菜幼苗的耐寒性是必要的。

MAPK信號級聯(lián)是植物對逆境脅迫反應(yīng)的一個(gè)完整途徑，與植物激素信號密切相關(guān)，MAPK3和MAPK6作為MAPK家族的成員，發(fā)揮著不可替代的作用，特別是在植物對冷脅迫的反應(yīng)中。

研究人員發(fā)現(xiàn)Mel增加了冷脅迫下油菜幼苗MAPK3和MAPK6基因的表達(dá)水平，表明Mel介導(dǎo)的油菜幼苗耐寒能力的增強(qiáng)依賴于MAPK級聯(lián)。在冷脅迫下，NO合成抑制劑或Ca²⁺信號阻斷劑與Mel的聯(lián)合處理顯著逆轉(zhuǎn)了Mel對油菜幼苗MAPK3/6的誘導(dǎo)，表明NO和Ca²⁺是Mel增加MAPK級聯(lián)表達(dá)的必要條件。 
 

▲  通過MAPK級聯(lián)對蕪青的耐寒性提出了NO和Ca²⁺要求的示意圖模型

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