莖鞘非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)是水稻籽粒灌漿的同化物來源之一,對產(chǎn)量形成有重要貢獻。促進莖鞘NSC的積累和轉(zhuǎn)運,改善弱勢粒灌漿是挖掘水稻產(chǎn)量潛力和提高產(chǎn)量的重要途徑。然而,不同水稻品種莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運存在顯著差異,生產(chǎn)上部分品種莖鞘NSC轉(zhuǎn)運低,籽粒灌漿結(jié)實不良,并且高氮條件下水稻莖鞘NSC轉(zhuǎn)運低;此外,水稻弱勢粒灌漿差,限制了產(chǎn)量潛力的發(fā)揮。因此,本試驗主要研究了不同氮水平下水稻莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運特征及蔗糖-淀粉轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性、強弱勢粒灌漿特征和籽粒韌皮部卸載特征,目的在于闡明莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運差異、強弱勢粒灌漿差異和籽粒同化物卸載的生理和分子機理,為高產(chǎn)栽培和育種提供理論依據(jù),對保證我國糧食安全具有十分重要的意義�；谏鲜鲅芯磕康�,本研究的主要內(nèi)容是:(1)水稻葉片蔗糖磷酸合成酶(SPS)基因表達和活性與植株同化物積累和產(chǎn)量形成的關(guān)系;(2)氮對水稻莖鞘蔗糖-淀粉轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性的影響及其與莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運的關(guān)系;(3)水稻穗頸大、小維管束特征的基因型差異及其與莖鞘NSC轉(zhuǎn)運的關(guān)系;(4)水稻莖鞘NSC轉(zhuǎn)運與籽粒同化物卸載的基因型差異及其生理和分子機理;(5)水稻強弱勢粒灌漿差異及其生理和分子機理。主要結(jié)果和結(jié)論如下:1.水稻品種兩優(yōu)培九(LYPJ)、汕優(yōu)63(SY63)和黃華占(HHZ)幼穗分化至抽穗不同階段葉片所有SPS基因(OsSPS1、OsSPS2、OsSPS6、OsSPS8和OsSPS11)的相對表達量均隨植株生育進程推進而下降;SPS活性的變化趨勢與其基因表達的一致。與高氮處理相比,低氮處理下SPS基因表達和活性增加。相關(guān)分析表明,SPS基因的相對表達量和SPS活性均與葉片NSC濃度顯著正相關(guān);葉片OsSPS1表達和SPS活性狀態(tài)均與每穗穎花數(shù)和籽粒產(chǎn)量顯著正相關(guān);葉片OsSPS2、OsSPS6和OsSPS8的表達均與結(jié)實率和千粒重顯著正相關(guān)。因此,適當(dāng)減少氮肥施用有利于提高SPS基因表達和活性,進而增加植株NSC積累和促進產(chǎn)量形成。2.水稻莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運表現(xiàn)出基因型差異且受到氮供應(yīng)水平的影響,低氮處理增加了抽穗前莖鞘淀粉和NSC濃度,加速了抽穗后莖鞘淀粉水解,促進了莖鞘NSC轉(zhuǎn)運。同時,低氮處理縮短了強勢粒有效灌漿期,提高了其灌漿速率。進一步分析表明,低氮處理增加了花前莖鞘淀粉合成相關(guān)的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶的活性以及花后莖鞘淀粉向蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)的α-淀粉酶、β-淀粉酶和SPS的活性,并且這些淀粉合成相關(guān)酶活性與莖鞘NSC濃度的增加顯著正相關(guān),淀粉向蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性與莖鞘淀粉和NSC轉(zhuǎn)運顯著正相關(guān)。與LYPJ相比,SY63的莖鞘淀粉和NSC的積累與轉(zhuǎn)運高,并且上述淀粉合成和淀粉-蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的活性均高于LYPJ。由此可見,高的莖鞘NSC積累與轉(zhuǎn)運主要歸因于較高的莖鞘淀粉-蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性。在生產(chǎn)上適當(dāng)降低氮肥用量,有利于莖鞘NSC轉(zhuǎn)運進而促進籽粒灌漿。3.源于珍汕97和明恢63重組自交系的4家系材料R46、R94、R118和R232穗頸大、小維管束數(shù)量和總橫截面積表現(xiàn)出基因型差異。維管束特征的基因型差異主要表現(xiàn)在大、小維管束數(shù)量上,不同材料穗頸大、小維管束的平均橫截面積及其韌皮部面積分別占其橫截面積的比值均沒有差異。不同氮處理對穗頸大、小維管束數(shù)量、平均橫截面積、總橫截面積和總韌皮部面積沒有影響。穗頸維管束數(shù)量與莖鞘NSC轉(zhuǎn)運、結(jié)實率、千粒重和產(chǎn)量正相關(guān),相關(guān)系數(shù)表明小維管束與莖鞘NSC轉(zhuǎn)運更加密切,大、小維管束韌皮部的功能差異可能是造成他們對產(chǎn)量貢獻差異的原因。因此,在育種上選擇穗頸維管束多且小維管束多的品種或采用栽培管理技術(shù)增加穗頸維管束的數(shù)量有利于促進莖鞘NSC轉(zhuǎn)運和產(chǎn)量形成。4.源于珍汕97和明恢63的重組自交系家系R91、R156和R201的莖鞘NSC轉(zhuǎn)運具有顯著差異。R201的莖鞘NSC轉(zhuǎn)運顯著低于R91和R156,并且R201的結(jié)實率、收獲指數(shù)和產(chǎn)量均顯著低于R91和R156。從源-流-庫相關(guān)性狀分析表明,三個家系具有相同的葉面積指數(shù)、比葉重、抽穗期莖鞘NSC濃度、生物量、單位面積穗數(shù)、每穗穎花數(shù)、莖鞘NSC活化能力、庫容量、庫活性、穗頸小維管束數(shù)量和橫截面積,而R201具有較高的葉片SPAD、穗頸大維管束數(shù)量和橫截面積。另外,R201成熟期莖鞘和枝梗NSC濃度顯著高于R91和R156。這些結(jié)果表明,源-流-庫相關(guān)性狀不是導(dǎo)致R201莖鞘NSC轉(zhuǎn)運低的原因,籽粒NSC卸載過程存在障礙可能是主要原因。5.進一步研究發(fā)現(xiàn)R201灌漿期籽粒背部韌皮部篩管、伴胞與其周圍薄壁細胞間的胞間連絲密度低于R91和R156,同時利用羧基熒光素二乙酸(CFDA)染料模擬韌皮部共質(zhì)體運輸發(fā)現(xiàn)R201籽粒韌皮部共質(zhì)體卸載較弱。對三個材料灌漿期籽粒蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白(SUT)和細胞壁轉(zhuǎn)化酶(CWI)的免疫印跡、免疫組化和基因表達分析表明,R201籽粒SUT和CWI基因和蛋白的表達低于R91和R156,同時R201籽粒CWI酶活性較低,表明其質(zhì)外體卸載較弱。由此可見,灌漿期R201籽粒蔗糖卸載障礙導(dǎo)致其莖鞘NSC轉(zhuǎn)運低,進而造成其結(jié)實率、收獲指數(shù)和產(chǎn)量低。6.雜交稻LYPJ和SY63強、弱勢粒灌漿差異顯著,弱勢粒灌漿啟動慢、有效灌漿期長、平均灌漿速率低,最終導(dǎo)致其粒重和結(jié)實率顯著低于強勢粒。不同氮處理對強、弱勢粒的粒重和結(jié)實率沒有影響。高氮處理延長了強勢粒和弱勢粒有效灌漿期,同時降低了其灌漿速率。進一步研究表明,一方面強勢粒枝梗的橫截面積、總維管束面積和總韌皮部面積大于弱勢粒。另一方面,強勢粒背部韌皮部細胞間胞間連絲密度、CFDA模擬的共質(zhì)體卸載速率、SUT和CWI基因和蛋白表達和CWI活性高于弱勢粒,表明強勢粒韌皮部蔗糖卸載能力強于弱勢粒。此外,籽粒轉(zhuǎn)錄組測序分析表明與粒型、粒重和籽粒灌漿及蔗糖水解和淀粉合成相關(guān)的基因、脫落酸合成相關(guān)的基因在強勢粒中的表達均高于弱勢粒,乙烯合成相關(guān)的基因在強勢粒中的表達低于弱勢粒。由此可見,強勢粒具有較大的枝梗維管束面積、較強的韌皮部卸載和蔗糖-淀粉轉(zhuǎn)化能力等是導(dǎo)致其灌漿強于弱勢粒的原因。
【學(xué)位單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S511
【部分圖文】：

圖 1 淀粉的生物合成和水解糖；1-P-G，1-磷酸葡萄糖；ADPG，腺苷二磷酸葡萄糖；α-1,4 Gn和 α-1Fig. 1 Starch biosynthesis and decompositionhosphate; 1-P-G, glucose-6-phosphate; ADPG, adenosine diphosphate glucosGn+1, water-soluble polysaccharide非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的轉(zhuǎn)運過程 向籽粒轉(zhuǎn)運的第一步是淀粉水解和蔗糖再合成，合成的粒中，依次是：莖鞘韌皮部裝載、韌皮部長距離運輸和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物轉(zhuǎn)運的生理基礎(chǔ)后莖鞘 NSC 主要以蔗糖形式通過韌皮部網(wǎng)絡(luò)向穗部轉(zhuǎn)

華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2018 屆博士研究生學(xué)位論文6圖2 韌皮部裝載途徑圖中 表示蔗糖； 代表棉子糖； 表示水蘇糖；B中 表示質(zhì)膜上的轉(zhuǎn)運蛋白（李國輝和崔克輝 2014）Fig. 2 The pathway for phloem loading of sucrose, sucrose; , raffinose; , stachyose; , sucrose transporter第二種裝載機制即質(zhì)外體裝載。蔗糖在載體協(xié)助下跨膜進入細胞間隙，再跨膜進入 SE-CC（圖 2B）。該過程中，蔗糖是從濃度較低的質(zhì)外體進入濃度較高的篩管細胞質(zhì)體內(nèi)的逆濃度梯度轉(zhuǎn)運，需要消耗能量(Giaquinta 1979)。蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白（SUT）是蔗糖質(zhì)外體轉(zhuǎn)運過程中的重要載體，蔗糖在 SUT 的參與下運輸?shù)巾g皮部SE-CC(Sauer 2007)。第三種裝載機制聚合物陷阱是一種特殊的共質(zhì)體裝載形式（圖 2C）。具體過程是蔗糖先轉(zhuǎn)化為水蘇糖和棉子糖等低聚糖，低聚糖可以通過較大的胞間連絲不可逆地進入篩管，從而實現(xiàn)韌皮部蔗糖裝載(Rennie and Turgeon 2009, Eom et al 2012)。植物韌皮部不同裝載途徑和各途徑對同化物運輸?shù)呢暙I會受到生育進程、環(huán)境條件以及基因型的影響而發(fā)生適應(yīng)性改變，從而保證植株體內(nèi)蔗糖運輸通暢(Slewinski et al 2009, Gil et al 2011, Lemoine et al 2013)。3.3 韌皮部長距離運輸維管束系統(tǒng)是連接水稻莖鞘和穗部的運輸組織

圖 3 水稻穗頸節(jié)大、小維管束的形態(tài)及分布示意圖（未發(fā)表資料）圖 A 放大 4 倍； 圖 B 放大 400 倍Fig. 3 Morphology and distribution of large and small vascular bundles in peduncle of ric(unpublished data)A, magnified 4 times under a microscope; B, magnified 400 times under a microscope

本文編號：2886588