低植酸水稻籽粒植酸積累與結(jié)實特性的環(huán)境生態(tài)響應及其生理調(diào)控.pdf

1、培育低植酸作物是改善作物營養(yǎng)品質(zhì)和提高谷物籽粒中礦質(zhì)微營養(yǎng)利用率的有效措施，但低植酸突變作物通常卻表現(xiàn)出籽粒灌漿不良和籽粒飽滿度較差的農(nóng)藝性狀特征，其優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)之間的矛盾相對較突出。因此，探明低植酸作物籽粒植酸含量的積累變化及其環(huán)境生態(tài)響應與作物產(chǎn)量形成間的生理聯(lián)系，對于通過品種改良和栽培調(diào)控途徑，協(xié)調(diào)低植酸作物的優(yōu)質(zhì)種性發(fā)揮與其籽粒灌漿充實間的矛盾、提高低植酸作物的產(chǎn)量水平和環(huán)境生態(tài)適應性，均具有較重要的理論和生產(chǎn)指導意義。為此，本文

2、以輻射誘變的低植酸突變體及其對照野生型親本為供試材料，利用人工控溫處理、盆栽水培試驗和稻穗離體培養(yǎng)等方法，對低植酸突變水稻在不同環(huán)境生態(tài)條件下的籽粒植酸含量變異及其與籽粒結(jié)實性狀間的關(guān)系進行了探討，并結(jié)合對植酸合成代謝關(guān)鍵酶基因的沉默和超表達，以及植酸合成代謝途徑相關(guān)功能基因?qū)Σ煌庠戳诐舛群吞?氮處理響應的轉(zhuǎn)錄表達分析，探討了低植酸水稻籽粒植酸積累和結(jié)實性狀特性的環(huán)境生態(tài)響應及其分子生態(tài)學機理。主要研究結(jié)果如下:
　　1.高溫脅

3、迫是影響水稻育性和結(jié)實特性的主要環(huán)境因素之一。對低植酸水稻與其野生對照在不同溫度處理下的籽粒植酸含量變化及其與結(jié)實率和千粒重間的關(guān)系分析表明，高溫脅迫對低值酸突變水稻籽粒植酸含量和結(jié)實特性（結(jié)實率和千粒重）的影響程度要大于其野生對照;高溫脅迫不僅會引起水稻糊粉層占籽?？傊亓康南鄬Ρ壤筒诿字菜岷康娘@著增加，而且提升了精米部位的植酸含量，高溫處理對水稻籽粒中的植酸積累量及其部位分布均有顯著影響;在正常生長條件下，不同水稻品種的植酸含量高

4、低與品種間的結(jié)實率和千粒重差異并無密切聯(lián)系，但在高溫逆境條件下，籽粒植酸含量中等偏高類型的水稻品種具有相對較好的高溫結(jié)實特性。與野生對照相比，低植酸突變水稻對環(huán)境溫度變化更敏感，其籽粒植酸含量和結(jié)實特性（結(jié)實率和千粒重）的生態(tài)穩(wěn)定性也明顯變差;適宜濃度的外源植酸噴施可在一定程度上緩解高溫脅迫對水稻灌漿充實度的不利影響，但會引起籽粒植酸含量的同步提升，而高濃度外源植酸噴灑對水稻的高溫結(jié)實性狀影響不大，既不利于優(yōu)質(zhì)也不利于高產(chǎn)。
　　

5、2.通過MIPS基因的沉默載體pTCK303-RiOsMIPS和超表達載體pTCK303-OeOsMIPS構(gòu)建，以及農(nóng)桿菌介導的遺傳轉(zhuǎn)化、純合株系鑒定等工作，分別獲得了MIPS沉默和超表達轉(zhuǎn)基因水稻植株，對轉(zhuǎn)基因陽性植株的熒光定量PCR檢測和結(jié)果表明，MIPS沉默和超表達分別會引起水稻發(fā)育籽粒中靶基因（MIPS基因）的表達量下降48.5％或提高34.2％左右。與野生對照相比，MIPS沉默水稻籽粒中的植酸含量下降36.9％，MIPS超表達

6、水稻籽粒中的植酸含量提高23.3％。此外，MIPS沉默和超表達對籽粒總蛋白、直鏈淀粉和蛋白組分（清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白）含量也會產(chǎn)生不同程度影響。其中，與野生對照日本晴相比，MIPS超表達籽粒中的總蛋白含量比日本晴對照增加34.0％，直鏈淀粉含量降低24.0％;MIPS沉默在抑制靶基因（MIPS基因）表達的同時，對水稻籽粒植酸合成代謝途徑其它功能基因(如ITP5/6K-6和MRP)的表達量也產(chǎn)生抑制效應，但MIPS超表達對植酸

7、合成代謝途徑其它基因表達量的影響不甚明顯;利用人工氣候箱對轉(zhuǎn)基因陽性水稻（包括MIPS基因沉默和超表達水稻）進行控溫試驗結(jié)果表明，MIPS沉默和超表達水稻籽粒中的RINO1基因在高溫脅迫下均呈上調(diào)表達趨勢，這與野生型對照在高溫脅迫下的表達量變化趨勢相似，但MIPS沉默水稻在不同溫度處理下的植酸含量變化幅度相對更明顯。
　　3.采用盆栽水培試驗和稻穗離體培養(yǎng)相結(jié)合的試驗方法，對不同磷濃度處理下水稻籽粒植酸、無機磷和總磷含量變化檢測結(jié)

8、果表明，水稻籽粒植酸、無機磷和總磷含量（相對含量）隨外源磷處理濃度升高呈大致增加的趨勢，磷處理對千粒重和單位籽粒中植酸積累量的影響則較復雜，但高磷濃度處理會導致水稻千粒重和籽粒植酸積累絕對量的顯著降低;與此同時，隨外源磷處理濃度的增加，水稻籽粒中的鋅和鐵元素含量呈較明顯的下降趨勢，說明高濃度的外源磷會導致水稻籽粒中鋅、鐵等礦質(zhì)營養(yǎng)元素生物有效性的顯著降低;外源磷處理對水稻籽粒植酸含量的影響與RINO1基因在不同磷處理下的相對表達變化存在

9、較密切關(guān)系。其中，高磷濃度(12P)會抑制RINO1基因的相對表達量，但中磷濃度(3P)處理會誘導RINO1基因在水稻籽粒中的轉(zhuǎn)錄表達，揭示RINO1是外源磷處理對水稻籽粒植酸合成代謝過程調(diào)控的一個重要功能基因位點，而IPK2基因與水稻籽粒在不同磷濃度處理下的植酸含量變化無直接聯(lián)系，可能與磷逆境脅迫誘導的信號代謝有關(guān);IPK2在不同磷處理下的表達量變化與ITP5/6K-6存在一定程度的互補效應。
　　4.大田剪葉處理試驗結(jié)果表明，

10、減少源器官向庫器官的光合同化產(chǎn)物供應量，不僅會引起籽粒灌漿充實度和千粒重的顯著降低，而且對水稻籽粒中的植酸含量有較明顯影響。與精米部位相比，剪葉處理對糙米部位植酸含量影響相對較明顯;對稻穗離體培養(yǎng)條件下外源碳(C)、氮(N)濃度處理與水稻籽粒植酸、無機磷和總磷等理化指標之間的關(guān)系分析表明，水稻籽粒中的植酸含量(％)和總磷含量隨外源碳(C)、氮(N)濃度增加呈下降趨勢，且外源C處理對水稻籽粒植酸含量的影響要比N濃度處理效應更為明顯。即，外

11、源蔗糖處理濃度的提高會對水稻籽粒中的植酸積累量產(chǎn)生較明顯的抑制效應。與此同時，水稻籽粒中的無機磷含量也有所降低。此外，外源C和N濃度處理對水稻籽粒中的鋅和鐵含量及其生物有效性也存在一定程度影響。利用熒光定量PCR對水稻灌漿籽粒中植酸合成路徑相關(guān)基因在不同碳濃度處理下的表達量變化檢測結(jié)果，外源碳（蔗糖）處理會抑制RINO1在水稻籽粒器官的轉(zhuǎn)錄表達水平，且IPK1、ITP5/6K-3、ITP5/6K-6、IPK2和MRP等基因也同時表現(xiàn)出較