NO3-缓解小麦NH4+毒性的生理及分子机制

作     者：杜琬莹 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔令安

授予年度：2022年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：差异表达蛋白 差异表达基因 NH4+胁迫 NO3- 小麦 

摘      要：铵(NH)是植物所需的重要营养物质之一,适量NH可促进植物生长,增加作物产量。然而高浓度NH作为唯一氮源时会抑制小麦的生长,影响小麦的生产。小麦作为多种食物的原材料,对人类生活至关重要,因此研究NH毒性及缓解机制对小麦生产有重要意义。本研究通过水培法培养小麦植株,以1/2 Hoagland营养液为基础营养液,其中含7.5mmol/L NO为对照(CK),7.5 mmol/L NH(HA)和7.5 mmol/L NH+1.0 mmol/L NO(AN)为处理组,研究NO缓解小麦NH毒性的生理及分子机制。主要结果如下:1、NO缓解NH毒性的生理机制研究与对照相比,HA处理显著抑制小麦根系生长,三羧酸(TCA)循环相关酶柠檬酸合酶(CS)、乌头酸酶(ACO)、α-酮戊二酸脱氢酶(α-KGDH)、苹果酸脱氢酶(MDH)和丙酮酸脱氢酶(PDH)活性降低;TCA循环中间产物草酰乙酸(OAA)、柠檬酸(CA)、乌头酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸含量减少;根系质膜H-ATPase活性升高且根系细胞H外排速率增加,营养液酸化;根系电子传递链复合体I、复合体Ⅱ、复合体Ⅲ和复合体IV活性提高,同时蛋白质羰基和丙二醛含量显著增加;根系分生区细胞超微结构受到破坏,细胞活力降低。与HA处理相比,AN处理可促进小麦根系生长;提高TCA循环相关酶CS、ACO、α-KGDH、MDH和PDH活性;增加TCA循环中间产物OAA、CA、乌头酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸含量;此外,AN处理降低根系H外排速率,缓解营养液的酸化,降低了根系蛋白质羧化作用与脂质过氧化作用,根系超微结构的破坏得到缓解,细胞活力提高。2、不同氮处理小麦根系转录组比较分析通过高通量测序,在转录水平上对NO缓解小麦NH毒性的分子机制进行研究。研究发现,HA处理下编码糖酵解(EMP)、乳酸发酵和乙醇发酵相关酶的差异表达基因(DEGs)显著上调,而编码TCA循环相关酶和ATP合酶的DEGs显著下调,编码水通道蛋白(AQP)的DEGs也显著下调。与HA处理相比,AN处理下,编码糖酵解、乳酸发酵和乙醇发酵相关酶的基因上调表达明显减少;编码TCA循环相关酶、ATP合酶和AQP的DEGs下调减少,根系细胞ATP的合成和植株抗逆性增加。3、不同氮处理小麦根系蛋白质组学比较分析利用高通量测序,在蛋白质水平上研究了NO缓解小麦NH毒性的分子机制。对照组与HA处理以及AN处理分别比较分析得出,HA处理下,共鉴定出251个差异表达蛋白(DEPs),AN处理下鉴定出178个DEPs。对这些DEPs进行KEGG分析,发现这些蛋白主要参与次生代谢物合成、碳代谢、糖代谢等代谢通路。与HA处理比较,AN处理糖酵解和发酵相关酶DEPs显著下调表达。综上所述,NO通过补充碳骨架的生成,缓解根际酸化,降低ROS生成和氧化损伤,增加有氧呼吸代谢从而缓解NH对小麦的毒性。