玉米花丝响应干旱胁迫的生理特征和代谢组学分析

作     者：盛文静 

作者单位：安徽农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋有洪;孙建强

授予年度：2023年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：玉米花丝 干旱胁迫 花丝伸长 生理响应 代谢组学分析 

摘      要：玉米花丝是玉米授粉受精过程中的关键器官,因此玉米花丝的正常伸长是影响花期耐旱的决定性因素。然而,目前针对玉米花丝响应花期干旱特征的研究较少,同时花期干旱导致吐丝延迟的生理和代谢基础尚不明确。因此,利用代谢组学解析花丝响应干旱胁迫的生理和代谢组学特征将为花期耐旱的玉米品种选育提供重要的理论依据,对玉米耐旱稳产具有重要意义。本文选用安农591(AN591)这一个黄淮海平原主栽的夏玉米品种,于2021年在安徽农业大学高新产业技术园开展了大田试验,设置了对照(75%±5%)和中度干旱(55%±5%)两个梯度;基于2021年的研究结果,增加了一个新的干旱梯度:重度干旱(45%±5%),于2022年在安徽农业大学农萃园开展了盆栽试验。主要研究结果如下:1.干旱显著降低花丝长度40%～90%,减小伸长速率50%～90%,ASI增大2天～3天。玉米花丝在干旱胁迫下的伸长特征在大田试验和盆栽试验中表现一致。2.干旱胁迫下,MDA含量显著上升,Pro、可溶性糖和可溶性蛋白等渗透调节物质的含量显著上升;蔗糖含量显著上升,果糖和葡萄糖含量显著下降;POD、SOD和CAT等抗氧化酶的活性随着干旱时间和干旱程度的增加先上升后下降。玉米花丝响应干旱胁迫的生理特征在大田试验和盆栽试验中变化趋势一致。3.2021年花丝渐增期(S1)、速增期(S2)和缓增期(S3)的对照组和干旱组的玉米花丝样品中共检测到701种代谢物。三个时期分别包括80、83和92种差异代谢物,共有差异代谢物有34种,包括绿原酸、奎宁酸、胆碱、海藻糖、玉米可凝性球蛋白、可可碱、衣康酸和苹果酸等11种氨基酸和胺类,10种碳水化合物和8种脂质。三个时期分别涉及到的代谢通路为36条、41条和35条,共同涉及的代谢通路有苯丙素生物合成,甘油磷脂代谢,次级代谢物生物合成,氨基酸生物合成,氨基糖和核苷酸糖代谢等8条。2022年速增期(S2)的对照和干旱组玉米花丝中共检测到874种代谢物,61种差异代谢物,均以上调为主;主要集中在氨基酸及其衍生物、糖类及其衍生物、核苷酸及其衍生物、脂肪酰类、有机酸及其衍生物和类黄酮等。共涉及到102条代谢通路,53条差异代谢途径,同样集中在氨基酸生物合成及代谢、糖代谢、甘油磷脂代谢、苯丙素生物合成、ABC转运蛋白等通路。两年的代谢组响应变化较一致,标志代谢物均为甘油磷脂类、苯丙素类、氨基酸类和糖类等。综上,本研究结果表明干旱胁迫导致玉米花丝内部氧化程度加剧、膜脂过氧化,抗氧化酶的活性受到抑制,内部渗透调节的平衡被打破,显著降低玉米花丝的长度和伸长速率。玉米花丝为了提高干旱耐受性,甘油磷脂代谢、苯丙素生物合成、氨基酸代谢和糖代谢等通路在遭受干旱胁迫后积极发生响应,甘油磷脂类物质、黄酮类物质、氨基酸类等标志代谢物均发生显著调整来提高玉米的花期耐旱性。