谷子/花生盆栽间作蛋白质组学及根际微生物区系研究
作者单位：福建农林大学
学位级别：硕士
导师姓名：林向民
授予年度：2015年
摘 要：农作物的间作种植在国内外已有广泛应用,这种种植方式所带来的增产效果受到密切关注。而禾本科与豆科作物的间作模式是其中较为成功的一种。合理的间作种植,可以为作物提供更多营养元素,提高对光照的利用,加强作物抗病能力,以及提高土壤肥力。当前对间作作物蛋白质水平上的研究鲜有报导,对于间作增产的机理缺乏更深入的了解。本论文以盆栽的方式研究了谷子／花生无隔(间作)、网隔和全隔(单作)下,作物的产量变化、蛋白质水平的变化以及根际微生物群落结构变化,为探讨间作增产的机理提供理论参考。研究结果显示：间作谷子与花生在干重与产量上,均显著高于单作谷子与花生;网隔谷子产量介于间作和单作之间;网隔花生产量与间作花生产量无显著差异,且显著高于单作花生产量。表明间作种植可以提高谷子与花生的产量。利用双向电泳技术为基础的定量蛋白质组学,比较叶片中,间作,网隔与单作蛋白质水平的变化。结果显示：谷子叶片中,与全隔相比,无隔有9个蛋白质上调表达,6个蛋白质下调表达,网隔有7个蛋白质上调表达,5个蛋白质下调表达;花生叶片中,与全隔相比,无隔有16个蛋白质上调表达,2个蛋白质下调表达,网隔有14个蛋白质上调表达,3个蛋白质下调表达。在谷子和花生叶片众多上调表达的蛋白质中,大多数涉及光合作用。进一步利用定量qPCR技术,对光合作用中的相关基因表达水平进行验证,结果发现蛋白质水平与mRNA水平的表达量基本一致,证实间作作物叶片光合作用加强,可以为作物合成更多的碳水化合物。利用TMT标记为基础的定量蛋白质组学比较根系中,间作,网隔与单作蛋白质水平的变化。结果显示：在谷子的根部,与单作谷子相比,间作谷子和网隔谷子共有85个蛋白质差异表达,其中,间作谷子根部有24个蛋白质下调表达,有40个蛋白质上调表达,网隔谷子根部有13个蛋白质下调表达,有29个蛋白质上调表达;在花生根部,间作花生和网隔花生共有46个蛋白质差异表达,其中,间作花生根部有24个蛋白质下调表达,有12个蛋白质上调表达,网隔花生根部有8个蛋白质下调表达,有8个蛋白质上调表达。进一步的生物信息学分析显示：a)在谷子根部,碳代谢、内质网中蛋白质代谢、物质转运与信号转导相关蛋白质上调表达,包括脲酶和磷酸盐转运子等在氮、磷元素代谢中起重要作用的蛋白质,表明间作作物根部物质合成与转运更为活跃,可以为地上部提供更多营养元素。下调表达的蛋白质多涉及植物防御。b)在花生根部,涉及胚胎发育以及种子成熟的蛋白质均上调表达,大部分转运蛋白质上调表达,涉及蛋白质折叠与降解的蛋白下调表达,大部分涉及脂肪酸生物合成的蛋白质下调表达,少数涉及脂肪酸生物合成的蛋白质上调表达,响应生物刺激的蛋白质上调表达。c)此外,涉及植物防御的多个蛋白质下调表达,包括间作谷子中的苯丙氨酸氨裂解酶、过氧化酶、漆酶、几丁质酶等与植物抗病密切相关的蛋白质,以及间作花生中的脂肪氧合酶(该酶是茉莉酸合成途径中的关键酶)。这些蛋白质的下调表达说明,相对于单作谷子和花生而言,间作谷子和花生根部所面临的病虫害胁迫减轻,从而表现出防御相关蛋白下调表达。d)此外,网隔作物根部与防御相关的少数蛋白质上调表达,如网隔花生根部的Acidic endochitinase 和 Mannose/glucose-binding lectin均上调表达,表明网隔花生具有一定的防御能力。结合各类上调表达与下调表达的蛋白质,可以认为,间作谷子和花生对重要营养元素的利用率提高,其所受到的不良环境胁迫减轻。并且在抗病防御方面的投入减少,将更多资源转入自身的物质积累中,即表现为果实产量的增加。进一步利用定量qPCR技术,对物质转运及防御相关蛋白的基因表达水平进行验证,结果发现转录水平的变化趋势与蛋白会水平的变化趋势基本一致,表明定量蛋白质组学的结果具有可靠性,证实植物的物质转运增加。由于植物生长发育与土壤根系微生物的变化紧密相关,进一步利用Biolog和T-RFLP技术,对土壤中的微生物菌群变化进行了分析。结果显示：间作作物根际土壤微生物群落结构发生显著变化,尤其是花生根际土壤微生物,相比于单作作物,间作作物根际土壤微生物更趋于多样化,物种种类增加,物种丰度分布更均匀;间作作物根际土壤微生物中,放线菌门占比提高,表明间作土壤肥力提高,作物可以获得更多营养;间作土壤有害菌减少,如螺原体属的菌,植物病害生防菌增多,如芽孢杆菌属和链霉菌属的细菌。综上所述,谷子/花生间作系统中,间作作物光合作用增强,对N、P营养元素的获取能力提高,内部物质合成能力提高以及果实中营养物质的积累增加,同时根际土壤微生物结构改善,有益菌增多,有害菌减少,作物生长环境改善,有利于更加良好生长。总之,以上有利因素综合作用可促进作物增产。
同方学位论文库