【摘要】：小麥是我國重要的糧食作物。雖然小麥的產量在近幾十年有了大幅的增加,但是由于現(xiàn)在大量農業(yè)用地被工業(yè)所占有,耕地面積不斷減少,隨著全球人口的迅速增加,糧食危機依然很嚴重。因此在有限的土地上實現(xiàn)糧食單產成為解決糧食危機的重要途徑。小麥早衰已經成為影響產量的重要因素。延緩小麥生育后期的衰老,延長有效光和時間,是提高小麥產量的重要途徑之一。小麥滯綠突變體在衰老后期葉綠素基本不降解或降解很慢,而且仍然保持較強的光合作用,能夠大幅提高生物量,因此在提高小麥產量方面具有很大的潛能,在育種上具有較高的利用價值。實驗室通過EMS誘變的方法獲得了一個延緩衰老的小麥滯綠突變體,命名為tasg1。前期研究表明,與野生型核生2號(WT)相比,突變體tasg1具有明顯延緩衰老的表型。在干旱處理的條件下,光合與抗氧化能力顯著提高,類囊體膜蛋白也更穩(wěn)定。同時,表型觀察發(fā)現(xiàn)突變體tasg1除了延緩衰老的表型以外,其葉片變大、分蘗能力顯著提高,這一結果暗示突變體tasg1的細胞分裂素(CK)代謝可能發(fā)生了改變。本試驗以WT及突變體tasg1為材料,研究了細胞分裂素代謝在小麥滯綠突變體tasg1中的生理作用及其分子機制。主要結果如下:(1)探究了突變體tasg1的滯綠變異與細胞分裂素代謝的關系。表型觀察發(fā)現(xiàn)突變體tasg1的根的形態(tài)建成發(fā)生了明顯變化,側根數量明顯減少,但已有側根的長度明顯增長,暗示突變體tasg1中細胞分裂素的代謝可能發(fā)生了變化。同時,突變體tasg1中細胞分裂素含量和活性都明顯提高。細胞分裂素合成相關的基因(TaIPTs)表達量顯著提高。相反,細胞分裂素氧化酶基因(TaCKs)的表達顯著降低。結果表明細胞分裂素的代謝在突變體tasg1中確實發(fā)生了改變。細胞分裂素合成抑制劑洛伐他汀(lovastatin)處理WT與tasg1的結果發(fā)現(xiàn),突變體tasg1對抑制劑lovastatin的更加敏感。抑制劑lovastatin處理顯著降低了突變體tasg1中葉綠素含量以及類囊體膜蛋白的穩(wěn)定性。同時,衰老相關基因(TaSAGs)的表達量顯著上調,膜脂氧化和蛋白羰基化程度顯著提高,抗氧化能力明顯降低。以上結果表明,細胞分裂素代謝改變在突變體tasg1延緩衰老過程中起著重要作用。(2)探究了突變體tasg1的籽粒發(fā)育與細胞分裂素和蔗糖代謝的關系。表型觀察發(fā)現(xiàn)突變體tasg1除了生育后期表現(xiàn)出明顯的延緩衰老以外,其籽粒在灌漿前期明顯大于野生型,但在灌漿后期其籽粒又明顯小于野生型。暗示突變體tasg1中細胞分裂素和蔗糖代謝可能發(fā)生了變化。同時,突變體tasg1在灌漿中后期的光合效率明顯提高,旗葉中可溶性糖的的積累明顯增加。進一步研究表明,在灌漿前期,突變體tasg1中細胞分裂素含量顯著提高,同時,受細胞分裂素調控的細胞周期基因的表達量也顯著提高。在灌漿后期,突變體tasg1籽粒中細胞壁蔗糖轉移酶(CW-Invertase)的活性顯著升高。同時,籽粒中可溶性糖的的積累明顯增加。以上結果表明,灌漿前期突變體tasg1中細胞分裂素可能通過調控有絲分裂過程進而調控籽粒細胞前期的變大。在灌漿后期,細胞分裂素通過調控蔗糖轉移酶的活性進而調控了蔗糖的再分配,使過多的蔗糖滯留在營養(yǎng)生長的器官中,例如旗葉,這可能是突變體tasg1在生育后期延緩衰老的一個重要原因。另一部分蔗糖在細胞壁蔗糖轉移酶的作用下進入籽粒,但由于可溶性糖到淀粉轉化效率的下降,導致突變體tasg1在灌漿后期籽粒明顯小于WT。(3)探究了突變體tasg1滯綠變異與細胞分裂素和氮素代謝的關系。表型觀察發(fā)現(xiàn)突變體tasg1在生育后期(28天)表現(xiàn)出明顯的延緩衰老的表型。同時,細胞分裂素含量與總氮素含量都顯著提高。RNA-seq數據也進一步證明,生育后期(28天),更少的基因參與突變體tasg1細胞分裂素與氮素降解途徑中。為了研究氮素的代謝在突變體tasg1滯綠變異中的作用及其與細胞分裂素代謝的關系,我們利用外源方法調控氮素與細胞分裂素含量水平。實驗室條件下用NH_4NO_3處理幼苗,結果發(fā)現(xiàn)WT與突變體tasg1都表現(xiàn)出延緩衰老的表型。NH_4NO_3處理后不僅總葉片中氮素含量提高,細胞分裂素含量也有明顯提高。但是,細胞分裂素的合成抑制劑洛伐他汀(lovastatin)處理發(fā)現(xiàn),突變體tasg1與WT均出現(xiàn)早衰的表型。處理后不僅細胞分裂素含量明顯下降,其總氮素含量也明顯降低。這些結果表明,細胞分裂素與氮素相互作用調控突變體tasg1生育后期延緩衰老的代謝過程。(4)探究了順式玉米素葡糖基轉移酶(cisZOGT1)基因與突變體tasg1延緩衰老的關系。我們通過對RNA-seq的數據進行分析與篩選,找到了一個候選基因(Traes_2AL_21065D298),基因比對結果證明是順式玉米素葡糖基轉移酶(cisZOGT1)。RNA-seq與qRT-PCR的數據表明突變體tasg1中cisZOGT1基因的表達量是WT的14%。我們進一步篩選了四倍體小麥Kronos的突變體庫,并篩選到一個順式玉米素葡糖基轉移酶轉錄終止的突變體2885,其序列由CAG突變?yōu)門AG,形成轉錄終止結構。在灌漿后期,突變體2885表現(xiàn)出明顯延遲衰老的表型,同時,旗葉中ZR、DHZR和氮素含量顯著升高。為了進一步證明cisZOGT1基因在突變體tasg1灌漿后期延緩衰老的作用,我們在短柄草中過表達了cisZOGT1基因。與WT相比,過表達cisZOGT1的短柄草植株在灌漿后期也表現(xiàn)出延遲衰老的表型。盡管植株中ZR和DHZR的含量顯著降低。棉花子葉法檢測實驗進一步證明過表達cisZOGT1的短柄草植株中活性的細胞分裂素水平顯著降低。以上結果表明,cisZOGT1基因在一定程度上調控細胞分裂素與氮素代謝過程,進而參與了植物延遲衰老的代謝過程,但過表達cisZOGT1基因在細胞分裂素的代謝過程中是非常復雜的,其生理意義與調控機制尚不清楚。綜上所述,細胞分裂素代謝改變在突變體tasg1滯綠變異過程中起著重要作用。同時,細胞分裂素代謝也能通過與氮代謝相互作用、調控蔗糖代謝進而調控突變體tasg1生育后期延緩衰老的過程。
【學位授予單位】：山東農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S512.1
【圖文】：

圖 1-1 5 種類型滯綠突變體虛線表示光合作用能力，實線表示葉綠素含量。Fig. 1-1 Five ways to stay greenThe dashed shows photosynthetic capacity and real line shows chlorophyll content in typical leaves.自然條件下的滯綠突變體，都是以各種復合類型存在的。其中，A型或B型被

1.2.1 細胞分裂素的合成細胞分裂素在植物體內主要以類異戊二烯的形式存在。研究表明，細胞分裂素生物合成途徑有兩種（圖1-2）：（1）細胞分裂素的從頭合成途徑（2）tRNA分解途徑現(xiàn)有研究表明，內源細胞分裂素主要是依靠從頭合成途徑。tRNA途徑是內源細胞分裂素合成的次要途徑（Haberer and Kieber, 2002）。圖 1-2 細胞分裂素的代謝途徑Fig. 1-2 Proposed metabolic pathway for cytokinin內源細胞分裂素生物合成的第一個限速酶是IPT，其優(yōu)先催化ADP和ATP。植物內源iPMP大部分來自底物iPDP、iPR、iPTP和iP，少部分來自于AMP經IPT催化（Brugière etal., 2008；Astot et al., 2000）。t-ZMP可能由AMP經iPMP非依賴途徑生物合成，也可由

比其他CKX基因更強的表型變化（Werner et al., 2003）。ckx3/ckx5雙突變體表型具有較大的花序和花分生組織，增加了莖尖分生組織中心的WUSCHEL表達區(qū)的大小，增加了胚珠的數量，提高了種子的產量（Bartrina et al., 2001）（圖1-3）。圖 1-3 影響植物衰老的策略過表達細胞分裂素合成相關的基因能夠延緩植物的衰老，降低細胞分裂素含量植物會出現(xiàn)早衰的表型，干擾細胞分裂素的代謝信號同樣能夠影響植物衰老過程。Fig. 1-3 Strategies for the development of plant senescenceSenescence-specific overexpression of CK biosynthesis genes can delay plant senescence, a reduction in CK levels in plantcan premature senescence in plant, interference at the CK signaling level also bears significant potential for the developmentof senescence in plant.

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本文編號：2789196