两优培九及其亲本对氮素响应的生理学与差异蛋白组学研究
作者单位：福建农林大学
学位级别：硕士
导师姓名：魏道智
授予年度：2010年
主 题：两优培九 9311 培矮64S 氮素响应 生理学研究 差异蛋白组学
摘 要：氮素是水稻生长所需的大量元素之一,对稻米的产量和品质起着决定性的作用,也是水稻高产栽培、遗传育种研究中的热点问题。目前,国内外就水稻对氮素的高效利用、氮素育种、氮素营养遗传、吸收利用机制等方面开展了深入的研究工作,取得了很多重要研究成果。但对水稻氮素响应的生理生化及分子机制仍不十分清晰,而对水稻氮素响应机制的了解是开展氮高效遗传育种等研究的关键。本研究以超高产杂交水稻两优培九及其亲本为供试材料,研究了三者在三个氮素水平(即以正常供氮水平为1N,正常供氮水平含氮量的1/4为1/4N,正常供氮水平含氮量的2倍为2N)处理下的生物学性状和生理生化指标的变化趋势以及三个水平品种对氮素响应的基因型差异;同时利用双向电泳技术研究各品种在1/4N和2N水平下同1N水平相比较地上部分和根系蛋白差异表达情况。在上述实验基础上我们深入探讨了两优培九及其亲本对氮素响应的生理性状变化趋势及品种间差异、低氮和高氮响应的分子机制及差异蛋白表达调控。主要研究结果如下: 1、对两优培九及其亲本在三个氮素水平的整株生理学研究表明,两优培九及其亲本对氮素的响应存在显著的基因型差异,表现为品种因素﹥氮素水平因素﹥两因素互作。在观察的生物性状(株高、最长根长、根系体积、根数、叶面积和叶重)中,除最长根长随氮素水平的上升而减少以外,其余性状均随氮素水平的上升而增加,可见相对其它生物性状的变化,最长根的伸长是一个主动响应低氮胁迫的变化;根系体积和叶重差异最大,可作为水稻氮素响应基因型差异的主要评价指标。从综合生物学性状来看,两优培九具有杂交超亲优势,在一些数量性状上偏向父本。在对三个水稻品种在不同氮素水平的地上地下干物质积累量的研究发现,水稻对氮素响应的差异不仅在品种之间存在差异,同一品种的不同器官亦有不同;如在1/4N时两优培九地上部分的生长和9311地下部分的生长对氮素的缺乏较敏感,而2N时9311地上部分的生长和PA64S根系的生长对高氮水平表现敏感,这反映了三者对氮素响应策略和机制的差异。在生理生化指标的分析表明,水稻植株吸氮总量与氮素水平成正相关增加,但植株体内的氮素利用率呈现下降趋势,反映了水稻对于低氮条件一种能动的自身营养调整能力。水稻叶绿素含量、光合速率、地上部分可溶性蛋白含量、硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性均随氮素水平的上升而呈增加趋势;其中除谷氨酰胺合成酶活性外,其余指标两优培九均处于最高水平,其次为9311,PA64S最低;而各品种在地上、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积方面对氮素水平的响应趋势存在明显的差异。 2、对两优培九及其亲本地上部分在不同氮素水平蛋白差异表达的分析发现,水稻9311、PA64S和两优培九中分别有19个、15个、19个蛋白质在对氮素的响应中发生差异表达变化;这些蛋白与光合作用、逆境胁迫、氮代谢、物质和能量代谢、植物生长和信号转导相关;光合作用的蛋白酶随着氮素水平的升高出现上调表达,可见氮素对光合作用起着明显的促进作用;逆境胁迫相关蛋白在1/4N水平下出现上调表达,缺氮诱导了水稻植株中逆境蛋白的表达,这有利于减缓逆境伤害,维持植物生长,是植物中一种积极的防御机制;各水稻品种间虽然差异表达的蛋白质种类有所差别,但均涉及以上所述的各个生命活动。由此可见,虽然LYP9及其亲本间对氮素的反应的程度不一样,但是它们可能存在一个普遍的响应氮的机制。同时我们还发现,在亲本9311和PA64S中变化的蛋白多数在子代两优培九也出现差异变化,这说明三者的遗传关系。但这是否是LYP9在氮素响应中的杂种优势表现,还有待进一步的研究探讨。而那些在特定品种中表达的蛋白可能造成了品种间对氮素响应的基因型差异。 3、对两优培九及其亲本根系在不同氮素水平蛋白差异表达的分析发现,水稻9311、PA64S和两优培九中分别有21个、21个、20个蛋白质在对氮素的响应中发生差异表达变化;这些蛋白与逆境胁迫、物质能量代谢、氮代谢、生长相关蛋白、激素合成、信号转导和细胞生长调控相关;我们对三种水稻根系在氮素响应中的差异表达蛋白进行分析发现,乙烯可能在水稻根系氮素响应中作为一种信号分子开启多个应答途径,其可能机制为:外界氮饥饿信号通过细胞表面受体将信号传入细胞,通过诱导乙烯合成反应的关键酶ACC合酶(ACS)活性,使植物内源乙烯合成增加,同时乙烯合成前体物质的甲硫氨酸循环被反馈激活;乙烯信号分子同时诱导苯丙烷代谢途径的关键酶基因PAL基因的表达,使PAL活性升高,促进苯丙烷代谢途径。苯丙烷代谢途径可生成类黄酮、木质素等多种次生代谢产物,在植物生长发育、抗病和抗逆方面发挥重要作用。此外,乙烯诱导植物体内的抗氧化清除系统如抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽S-转移酶(GST)活性上升,保护细胞免受氧化胁迫。
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