兩優(yōu)培九及其親本對氮素響應(yīng)的生理學(xué)與差異蛋白組學(xué)研究.pdf

1、氮素是水稻生長所需的大量元素之一,對稻米的產(chǎn)量和品質(zhì)起著決定性的作用,也是水稻高產(chǎn)栽培、遺傳育種研究中的熱點(diǎn)問題。目前,國內(nèi)外就水稻對氮素的高效利用、氮素育種、氮素營養(yǎng)遺傳、吸收利用機(jī)制等方面開展了深入的研究工作,取得了很多重要研究成果。但對水稻氮素響應(yīng)的生理生化及分子機(jī)制仍不十分清晰,而對水稻氮素響應(yīng)機(jī)制的了解是開展氮高效遺傳育種等研究的關(guān)鍵。本研究以超高產(chǎn)雜交水稻兩優(yōu)培九及其親本為供試材料,研究了三者在三個(gè)氮素水平(即以正常供氮水平

2、為1N,正常供氮水平含氮量的1/4為1/4N,正常供氮水平含氮量的2倍為2N)處理下的生物學(xué)性狀和生理生化指標(biāo)的變化趨勢以及三個(gè)水平品種對氮素響應(yīng)的基因型差異;同時(shí)利用雙向電泳技術(shù)研究各品種在1/4N和2N水平下同1N水平相比較地上部分和根系蛋白差異表達(dá)情況。在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上我們深入探討了兩優(yōu)培九及其親本對氮素響應(yīng)的生理性狀變化趨勢及品種間差異、低氮和高氮響應(yīng)的分子機(jī)制及差異蛋白表達(dá)調(diào)控。主要研究結(jié)果如下:
　　 1、對兩優(yōu)培九

3、及其親本在三個(gè)氮素水平的整株生理學(xué)研究表明,兩優(yōu)培九及其親本對氮素的響應(yīng)存在顯著的基因型差異,表現(xiàn)為品種因素＞氮素水平因素＞兩因素互作。在觀察的生物性狀(株高、最長根長、根系體積、根數(shù)、葉面積和葉重)中,除最長根長隨氮素水平的上升而減少以外,其余性狀均隨氮素水平的上升而增加,可見相對其它生物性狀的變化,最長根的伸長是一個(gè)主動(dòng)響應(yīng)低氮脅迫的變化:根系體積和葉重差異最大,可作為水稻氮素響應(yīng)基因型差異的主要評價(jià)指標(biāo)。從綜合生物學(xué)性狀來看,兩優(yōu)

4、培九具有雜交超親優(yōu)勢,在一些數(shù)量性狀上偏向父本。在對三個(gè)水稻品種在不同氮素水平的地上地下干物質(zhì)積累量的研究發(fā)現(xiàn),水稻對氮素響應(yīng)的差異不僅在品種之間存在差異,同一品種的不同器官亦有不同;如在1/4N時(shí)兩優(yōu)培九地上部分的生長和9311地下部分的生長對氮素的缺乏較敏感,而2N時(shí)9311地上部分的生長和PA64S根系的生長對高氮水平表現(xiàn)敏感,這反映了三者對氮素響應(yīng)策略和機(jī)制的差異。在生理生化指標(biāo)的分析表明,水稻植株吸氮總量與氮素水平成正相關(guān)增加

5、,但植株體內(nèi)的氮素利用率呈現(xiàn)下降趨勢,反映了水稻對于低氮條件一種能動(dòng)的自身營養(yǎng)調(diào)整能力。水稻葉綠素含量、光合速率、地上部分可溶性蛋白含量、硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性均隨氮素水平的上升而呈增加趨勢;其中除谷氨酰胺合成酶活性外,其余指標(biāo)兩優(yōu)培九均處于最高水平,其次為9311,PA64S最低;而各品種在地上、地下部氮素的分配比例、地上部可溶性糖含量、淀粉酶活性和根系吸收面積方面對氮素水平的響應(yīng)趨勢存在明顯的差異。
　　 2、對

6、兩優(yōu)培九及其親本地上部分在不同氮素水平蛋白差異表達(dá)的分析發(fā)現(xiàn),水稻9311、PA64S和兩優(yōu)培九中分別有19個(gè)、15個(gè)、19個(gè)蛋白質(zhì)在對氮素的響應(yīng)中發(fā)生差異表達(dá)變化;這些蛋白與光合作用、逆境脅迫、氮代謝、物質(zhì)和能量代謝、植物生長和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān);光合作用的蛋白酶隨著氮素水平的升高出現(xiàn)上調(diào)表達(dá),可見氮素對光合作用起著明顯的促進(jìn)作用;逆境脅迫相關(guān)蛋白在1/4N水平下出現(xiàn)上調(diào)表達(dá),缺氮誘導(dǎo)了水稻植株中逆境蛋白的表達(dá),這有利于減緩逆境傷害,維持植

7、物生長,是植物中一種積極的防御機(jī)制;各水稻品種間雖然差異表達(dá)的蛋白質(zhì)種類有所差別,但均涉及以上所述的各個(gè)生命活動(dòng)。由此可見,雖然LYP9及其親本間對氮素的反應(yīng)的程度不一樣,但是它們可能存在一個(gè)普遍的響應(yīng)氮的機(jī)制。同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn),在親本9311和PA64S中變化的蛋白多數(shù)在子代兩優(yōu)培九也出現(xiàn)差異變化,這說明三者的遺傳關(guān)系。但這是否是LYP9在氮素響應(yīng)中的雜種優(yōu)勢表現(xiàn),還有待進(jìn)一步的研究探討。而那些在特定品種中表達(dá)的蛋白可能造成了品種間對氮

8、素響應(yīng)的基因型差異。
　　 3、對兩優(yōu)培九及其親本根系在不同氮素水平蛋白差異表達(dá)的分析發(fā)現(xiàn),水稻9311、PA64S和兩優(yōu)培九中分別有21個(gè)、21個(gè)、20個(gè)蛋白質(zhì)在對氮素的響應(yīng)中發(fā)生差異表達(dá)變化;這些蛋白與逆境脅迫、物質(zhì)能量代謝、氮代謝、生長相關(guān)蛋白、激素合成、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞生長調(diào)控相關(guān);我們對三種水稻根系在氮素響應(yīng)中的差異表達(dá)蛋白進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),乙烯可能在水稻根系氮素響應(yīng)中作為一種信號分子開啟多個(gè)應(yīng)答途徑,其可能機(jī)制為:外界氮饑

9、餓信號通過細(xì)胞表面受體將信號傳入細(xì)胞,通過誘導(dǎo)乙烯合成反應(yīng)的關(guān)鍵酶ACC合酶(ACS)活性,使植物內(nèi)源乙烯合成增加,同時(shí)乙烯合成前體物質(zhì)的甲硫氨酸循環(huán)被反饋激活;乙烯信號分子同時(shí)誘導(dǎo)苯丙烷代謝途徑的關(guān)鍵酶基因PAL基因的表達(dá),使PAL活性升高,促進(jìn)苯丙烷代謝途徑。苯丙烷代謝途徑可生成類黃酮、木質(zhì)素等多種次生代謝產(chǎn)物,在植物生長發(fā)育、抗病和抗逆方面發(fā)揮重要作用。此外,乙烯誘導(dǎo)植物體內(nèi)的抗氧化清除系統(tǒng)如抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽

10、S-轉(zhuǎn)移酶(GST)活性上升,保護(hù)細(xì)胞免受氧化脅迫。氮的缺乏同時(shí)會影響鐵的吸收,而甲硫氨酸循環(huán)的活化增加了高鐵載體合成前體產(chǎn)生也有利于植物對鐵的利用;同時(shí)植物體通過蛋白酶體調(diào)整乙烯信號途徑的傳導(dǎo)方向避免其誘導(dǎo)pto抗性傳導(dǎo)途徑,引起植物組織壞死。由此可見,乙烯是通過調(diào)控根系中甲硫氨酸途徑、苯丙烷途徑、pto抗性傳導(dǎo)途徑和抗氧化清除系統(tǒng)來在氮素響應(yīng)中發(fā)揮作用的。根系對氮素的響應(yīng)是個(gè)主動(dòng)的響應(yīng)過程,在氮素缺乏時(shí)根系通過增加對根系的能力供應(yīng)、