發(fā)布時(shí)間：2020-07-29 10:32

【摘要】：鉬是植物必需的微量元素之一,它可通過(guò)含鉬酶調(diào)控植物碳、氮、硫和激素等代謝過(guò)程,對(duì)植物的生長(zhǎng)具有重要作用。高等植物中含鉬酶醛氧化酶(AO)和硝酸還原酶(NR)參與信號(hào)分子脫落酸(ABA)和一氧化氮(NO)合成,對(duì)調(diào)節(jié)植物的干旱脅迫耐性具有重要作用。因此,本研究在明確鉬對(duì)冬小麥抗旱性影響的基礎(chǔ)上,以含鉬酶AO和NR調(diào)控的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程為主線,解析了鉬提高冬小麥耐旱性的生理和分子機(jī)理。主要獲得以下結(jié)果:1)研究發(fā)現(xiàn)施鉬可提高冬小麥抗旱性,且鉬低效品種對(duì)鉬的響應(yīng)更敏感。研究表明,施鉬增強(qiáng)兩個(gè)冬小麥品種光合作用,提高了生物量和產(chǎn)量,干旱脅迫下增產(chǎn)效應(yīng)更明顯;施鉬降低冬小麥氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr),導(dǎo)致葉片失水率降低,增加葉片相對(duì)含水量,從而提高冬小麥的水分利用率;干旱脅迫下施鉬提高了冬小麥抗氧化酶活性以及非酶抗氧化劑含量,增強(qiáng)了抗氧化防御的能力,使活性氧的清除能力增強(qiáng),緩解了膜脂的過(guò)氧化,導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物的降低;干旱脅迫下施鉬增加冬小麥葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量,有利于維持細(xì)胞的膨壓。2)轉(zhuǎn)錄組(RNA-Seq)分析發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下鉬主要影響冬小麥根系生長(zhǎng)、脂質(zhì)代謝、細(xì)胞壁重塑、黃酮代謝及氧化還原等過(guò)程的基因表達(dá)。采用RNA-Seq技術(shù),研究鉬對(duì)冬小麥干旱響應(yīng)基因表達(dá)的影響,結(jié)果表明:干旱脅迫6 h后,缺鉬與施鉬處理差異基因509個(gè)(│Log2FC│≥1.5,P-value0.05),其中282個(gè)差異基因下調(diào)表達(dá),227個(gè)差異基因上調(diào)表達(dá),差異基因的基因表達(dá)驗(yàn)證結(jié)果與RNA-Seq結(jié)果基本一致;KEGG富集分析表明,差異基因功能主要富集在脂類代謝、黃酮類代謝、氮代謝、碳代謝、植物激素介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和光合作用等過(guò)程;重點(diǎn)分析了鉬對(duì)冬小麥根系生長(zhǎng)、脂質(zhì)代謝、氧化還原、細(xì)胞壁重塑及黃酮類物質(zhì)代謝等過(guò)程的調(diào)控及其在鉬提高冬小麥抗旱性中的作用。3)明確了干旱脅迫下含鉬酶NR和AO在增強(qiáng)冬小麥抗氧化脅迫中的作用�；パa(bǔ)試驗(yàn)結(jié)果表明:施鉬增加AO和NR的活性,促進(jìn)了ABA和NO的合成,而兩者的抑制劑分別降低了AO和NR的活性,同時(shí)也抑制了ABA和NO的合成,說(shuō)明鉬通過(guò)鉬酶AO和NR分別調(diào)控ABA和NO的合成。鉬增加抗氧化酶活性及其基因的表達(dá),增強(qiáng)了活性氧的清除能力,而鉬的這種效應(yīng)被AO抑制劑、ABA合成抑制劑、NR抑制劑和NO清除劑逆轉(zhuǎn),而外源ABA和NO供體又能夠恢復(fù)鉬清除活性氧的能力,表明鉬通過(guò)激活A(yù)O和NR的活性,促進(jìn)ABA和NO的合成,從而增強(qiáng)了冬小麥抗氧化耐性。進(jìn)一步的研究表明,鉬和ABA誘導(dǎo)的抗氧化耐性被NO清除劑逆轉(zhuǎn),但又能夠被NO供體恢復(fù),表明鉬增強(qiáng)冬小麥抗氧化耐性受ABA和NO信號(hào)調(diào)控,且ABA和NO信號(hào)存在一定程度的互作。4)鉬通過(guò)ABA信號(hào)途徑影響抗旱基因的表達(dá)。在依賴ABA型信號(hào)途徑中,鉬主要通過(guò)影響轉(zhuǎn)錄因子基因Wabi5的表達(dá),調(diào)控下游抗旱基因如Wrab17的表達(dá),增強(qiáng)冬小麥的干旱耐性;在非依賴ABA型信號(hào)途徑中,鉬可能主要影響轉(zhuǎn)錄因子基因Ta AIDFa的表達(dá),調(diào)控下游抗旱基因如Ta Sn RK2.3和Ta Sn RK2.7的表達(dá),進(jìn)而增強(qiáng)冬小麥對(duì)干旱的適應(yīng)性。鉬通過(guò)調(diào)控抗旱基因的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)冬小麥的干旱耐性可能存在品種的差異:品種97003可能通過(guò)依賴ABA型和非依賴ABA型信號(hào)途徑,而品種97014主要通過(guò)依賴ABA型信號(hào)途徑。5)干旱脅迫下鉬通過(guò)NO信號(hào)途徑調(diào)控根系生長(zhǎng),進(jìn)而影響水分吸收和礦質(zhì)養(yǎng)分平衡。施鉬和NO供體增加冬小麥側(cè)根長(zhǎng)、根尖數(shù)等形態(tài)參數(shù),而NO清除劑降低了側(cè)根長(zhǎng)、根尖數(shù)等形態(tài)參數(shù),說(shuō)明鉬促進(jìn)冬小麥根系生長(zhǎng)受NO信號(hào)的調(diào)控;冬小麥根尖數(shù)和側(cè)根長(zhǎng)與根系水分吸收速率顯著正相關(guān),同時(shí)施鉬增加了根系水通道蛋白(AQPs)基因的表達(dá),尤其是液泡膜內(nèi)在蛋白基因(TaPIPs)的表達(dá)量,說(shuō)明鉬增加冬小麥根系水分吸收可能與發(fā)達(dá)的根系和AQPs的表達(dá)有關(guān);進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),施鉬降低了冬小麥葉片的蒸騰作用,增加了根系滲透物質(zhì)鉀、鈣、鎂的含量及其它礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的含量,增加根系滲透壓力,這一方面說(shuō)明根壓可能是鉬促進(jìn)根系水分吸收的動(dòng)力,而非蒸騰拉力,另一方面說(shuō)明鉬可能通過(guò)增加礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而調(diào)控其平衡。6)施鉬增加膜脂的含量及不飽和脂肪酸含量,影響膜的穩(wěn)定性和流動(dòng)性,進(jìn)而增強(qiáng)冬小麥對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力。施鉬通過(guò)調(diào)控冬小麥葉片和根系脂酶基因(Ta MGDs、Ta DGDs和Ta AAPTs)的表達(dá)促進(jìn)了脂質(zhì)合成,增加了雙半乳糖甘油二酯(DGDG)、單半乳糖甘油二酯(MGDG)、磷脂酰膽堿(PC)和磷脂酰乙醇胺(PE)等膜脂組分含量,且根系中增加幅度更大;干旱脅迫下施鉬影響DGDG/MGDG和PC/PE的比值,進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞膜的穩(wěn)定性;干旱脅迫下施鉬增加冬小麥葉片脂肪酸去飽和酶基因表達(dá),調(diào)控膜脂不飽和程度,有助于細(xì)胞膜流動(dòng)性的增強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S512.11
【圖文】：

華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2018 屆博士研究生學(xué)位論文 2007, Brychkova et al 2013）。轉(zhuǎn)錄組分析表明擬南芥 SO 敲硫代謝相關(guān)酶基因表達(dá)上有明顯的差異，在抗脅迫基因和抗大差異（Hamisch et al 2012）。最新證據(jù)顯示，氧氣作為亞物 SO 的催化下可以產(chǎn)生 H2O2（H nsch et al 2006）。

圖 1.2 植物中 ABA 的生物合成（Sah et al 2016）Fig. 1.2 The regulation of ABA biosynthesis in plants（2）NO 的產(chǎn)生NO 是普遍存在的活性分子，具有廣泛的生理功能。在植物細(xì)胞中產(chǎn)生 NO 的途徑主要有兩個(gè)，即分別通過(guò)一氧化氮合酶（NOS）氧化精氨酸和 NR 還原硝態(tài)氮產(chǎn)生 NO（Planchet et al 2014, Sanz et al 2015）。其中 NR 催化途徑被認(rèn)為是植物 NO產(chǎn)生的主要途徑，作用機(jī)理如圖 1.3。最近的研究發(fā)現(xiàn)，NO 還有其他的產(chǎn)生途徑：鉬酶 NR 和 mARC 可以形成 NR-mARC 系統(tǒng)誘導(dǎo)衣藻以硝態(tài)氮為底物產(chǎn)生 NO（Chamizo-Ampudia et al 2016）。銅胺氧化酶（CuAO）可以通過(guò)調(diào)控精氨酸酶的活性，進(jìn)而影響精氨酸的生物有效性，最終促進(jìn) NO 的產(chǎn)生（Wimalasekera et al 2011Gro et al 2017）。另外也有報(bào)道，其他三種鉬酶 AO、SO 和 XDH 也可以以硝態(tài)氮為底物促進(jìn) NO 的產(chǎn)生，但是這些報(bào)道大多是在體外試驗(yàn)或厭氧條件下進(jìn)行的，在植物中尚未見報(bào)道（Chamizo-Ampudia et al 2017）。施鉬增加了冬小麥和小麥草的

NR參與NO的平衡（Chamizo-Ampudiaetal2017）

本文編號(hào)：2773843