【摘要】：小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物。雖然小麥的產(chǎn)量在近幾十年有了大幅的增加,但是由于現(xiàn)在大量農(nóng)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(jī)依然很嚴(yán)重。因此在有限的土地上實(shí)現(xiàn)糧食單產(chǎn)成為解決糧食危機(jī)的重要途徑。小麥早衰已經(jīng)成為影響產(chǎn)量的重要因素。延緩小麥生育后期的衰老,延長(zhǎng)有效光和時(shí)間,是提高小麥產(chǎn)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(qiáng)的光合作用,能夠大幅提高生物量,因此在提高小麥產(chǎn)量方面具有很大的潛能,在育種上具有較高的利用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)EMS誘變的方法獲得了一個(gè)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(hào)(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(shí),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(jié)果暗示突變體tasg1的細(xì)胞分裂素(CK)代謝可能發(fā)生了改變。本試驗(yàn)以WT及突變體tasg1為材料,研究了細(xì)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(jī)制。主要結(jié)果如下:(1)探究了突變體tasg1的滯綠變異與細(xì)胞分裂素代謝的關(guān)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(cè)根數(shù)量明顯減少,但已有側(cè)根的長(zhǎng)度明顯增長(zhǎng),暗示突變體tasg1中細(xì)胞分裂素的代謝可能發(fā)生了變化。同時(shí),突變體tasg1中細(xì)胞分裂素含量和活性都明顯提高。細(xì)胞分裂素合成相關(guān)的基因(TaIPTs)表達(dá)量顯著提高。相反,細(xì)胞分裂素氧化酶基因(TaCKs)的表達(dá)顯著降低。結(jié)果表明細(xì)胞分裂素的代謝在突變體tasg1中確實(shí)發(fā)生了改變。細(xì)胞分裂素合成抑制劑洛伐他汀(lovastatin)處理WT與tasg1的結(jié)果發(fā)現(xiàn),突變體tasg1對(duì)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(shí),衰老相關(guān)基因(TaSAGs)的表達(dá)量顯著上調(diào),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(jié)果表明,細(xì)胞分裂素代謝改變?cè)谕蛔凅wtasg1延緩衰老過(guò)程中起著重要作用。(2)探究了突變體tasg1的籽粒發(fā)育與細(xì)胞分裂素和蔗糖代謝的關(guān)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(xì)胞分裂素和蔗糖代謝可能發(fā)生了變化。同時(shí),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(jìn)一步研究表明,在灌漿前期,突變體tasg1中細(xì)胞分裂素含量顯著提高,同時(shí),受細(xì)胞分裂素調(diào)控的細(xì)胞周期基因的表達(dá)量也顯著提高。在灌漿后期,突變體tasg1籽粒中細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)移酶(CW-Invertase)的活性顯著升高。同時(shí),籽粒中可溶性糖的的積累明顯增加。以上結(jié)果表明,灌漿前期突變體tasg1中細(xì)胞分裂素可能通過(guò)調(diào)控有絲分裂過(guò)程進(jìn)而調(diào)控籽粒細(xì)胞前期的變大。在灌漿后期,細(xì)胞分裂素通過(guò)調(diào)控蔗糖轉(zhuǎn)移酶的活性進(jìn)而調(diào)控了蔗糖的再分配,使過(guò)多的蔗糖滯留在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)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(gè)重要原因。另一部分蔗糖在細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)移酶的作用下進(jìn)入籽粒,但由于可溶性糖到淀粉轉(zhuǎn)化效率的下降,導(dǎo)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(xì)胞分裂素和氮素代謝的關(guān)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(shí),細(xì)胞分裂素含量與總氮素含量都顯著提高。RNA-seq數(shù)據(jù)也進(jìn)一步證明,生育后期(28天),更少的基因參與突變體tasg1細(xì)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(xì)胞分裂素代謝的關(guān)系,我們利用外源方法調(diào)控氮素與細(xì)胞分裂素含量水平。實(shí)驗(yàn)室條件下用NH_4NO_3處理幼苗,結(jié)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?cè)~片中氮素含量提高,細(xì)胞分裂素含量也有明顯提高。但是,細(xì)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(xì)胞分裂素含量明顯下降,其總氮素含量也明顯降低。這些結(jié)果表明,細(xì)胞分裂素與氮素相互作用調(diào)控突變體tasg1生育后期延緩衰老的代謝過(guò)程。(4)探究了順式玉米素葡糖基轉(zhuǎn)移酶(cisZOGT1)基因與突變體tasg1延緩衰老的關(guān)系。我們通過(guò)對(duì)RNA-seq的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與篩選,找到了一個(gè)候選基因(Traes_2AL_21065D298),基因比對(duì)結(jié)果證明是順式玉米素葡糖基轉(zhuǎn)移酶(cisZOGT1)。RNA-seq與qRT-PCR的數(shù)據(jù)表明突變體tasg1中cisZOGT1基因的表達(dá)量是WT的14%。我們進(jìn)一步篩選了四倍體小麥Kronos的突變體庫(kù),并篩選到一個(gè)順式玉米素葡糖基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)錄終止的突變體2885,其序列由CAG突變?yōu)門AG,形成轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)。在灌漿后期,突變體2885表現(xiàn)出明顯延遲衰老的表型,同時(shí),旗葉中ZR、DHZR和氮素含量顯著升高。為了進(jìn)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?cè)诙瘫葜羞^(guò)表達(dá)了cisZOGT1基因。與WT相比,過(guò)表達(dá)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(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明過(guò)表達(dá)cisZOGT1的短柄草植株中活性的細(xì)胞分裂素水平顯著降低。以上結(jié)果表明,cisZOGT1基因在一定程度上調(diào)控細(xì)胞分裂素與氮素代謝過(guò)程,進(jìn)而參與了植物延遲衰老的代謝過(guò)程,但過(guò)表達(dá)cisZOGT1基因在細(xì)胞分裂素的代謝過(guò)程中是非常復(fù)雜的,其生理意義與調(diào)控機(jī)制尚不清楚。綜上所述,細(xì)胞分裂素代謝改變?cè)谕蛔凅wtasg1滯綠變異過(guò)程中起著重要作用。同時(shí),細(xì)胞分裂素代謝也能通過(guò)與氮代謝相互作用、調(diào)控蔗糖代謝進(jìn)而調(diào)控突變體tasg1生育后期延緩衰老的過(guò)程。
【學(xué)位授予單位】：山東農(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)】：S512.1
【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(shí)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(fù)合類型存在的。其中，A型或B型被

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

比其他CKX基因更強(qiáng)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(dá)區(qū)的大小，增加了胚珠的數(shù)量，提高了種子的產(chǎn)量（Bartrina et al., 2001）（圖1-3）。圖 1-3 影響植物衰老的策略過(guò)表達(dá)細(xì)胞分裂素合成相關(guān)的基因能夠延緩植物的衰老，降低細(xì)胞分裂素含量植物會(huì)出現(xiàn)早衰的表型，干擾細(xì)胞分裂素的代謝信號(hào)同樣能夠影響植物衰老過(guò)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(hào)：2789196