【摘要】：鉀是植物生長所需元素之一,在植物生長發(fā)育過程中有著重要作用。我國土壤缺鉀的狀況仍未得到有效解決,已經(jīng)成為影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的限制性因子之一。西瓜[Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.and Nakai]是我國重要的園藝作物,在全國各地均有廣泛種植。西瓜在其生長發(fā)育中需要大量的鉀元素,土壤缺鉀問題己經(jīng)成為我國西瓜生產(chǎn)中重要的限制因子。本研究通過對嫁接西瓜進(jìn)行短期和長期低鉀脅迫處理,從嫁接西瓜生長生理、果實產(chǎn)量及品質(zhì)、葉片和果實的轉(zhuǎn)錄組及果實代謝組等方面來闡明嫁接提高西瓜耐低鉀性的生理和分子機(jī)理。本研究的主要結(jié)果如下:1.砧木嫁接維持葉片較高的光合特性、抗氧化活性和根系鉀吸收效率,是砧木嫁接緩解低鉀脅迫對西瓜嫁接苗生長抑制的重要原因。以栽培西瓜品種“早佳8424”(Z)、野生西瓜砧木“勇士”(Y)、葫蘆砧木“京欣砧一號”(J)和南瓜砧木“青研砧一號”(Q)為材料構(gòu)建四個嫁接組合:Z/Z(西瓜自嫁)、Z/Y(勇士嫁接西瓜)、Z/J(京欣砧一號嫁接西瓜)和Z/Q(青研砧一號嫁接西瓜)。分別用正常供鉀(6 mM K~+)和低鉀脅迫(0.1 mM K~+)處理16 d,營養(yǎng)液栽培,研究嫁接西瓜對低鉀脅迫響應(yīng)。結(jié)果表明,低鉀脅迫導(dǎo)致葉面積減少,干重降低,根系表面積、根系平均直徑和根體積顯著下降,西瓜嫁接苗的生長受到抑制。在0.1 mM K~+時,異源砧木嫁接能緩解低鉀脅迫對西瓜嫁接苗生長抑制。低鉀脅迫導(dǎo)致嫁接西瓜光合速率下降,活性氧積累,引起細(xì)胞膜脂過氧化,影響細(xì)胞正常生理生化功能。異源砧木嫁接一方面提高了西瓜嫁接苗在低鉀脅迫下的抗氧化酶(SOD、CAT和APX)活性,有效地清除活性氧,降低膜脂過氧化程度,使其在低鉀脅迫下能夠維持正常的生長發(fā)育。另一方面,異源砧木利用其強大的根系,提高了低鉀環(huán)境下的鉀吸收量,增強了鉀效率。2.葉片中光合和氧化還原相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄水平差異表達(dá)是嫁接西瓜耐低鉀性的主要分子機(jī)制。比較了嫁接西瓜Z/Q和Z/Z葉片轉(zhuǎn)錄組對低鉀脅迫(0.1 mM K~+)16 d的響應(yīng),正常鉀濃度為6 mM K~+,營養(yǎng)液栽培。在Z/Z葉片中檢測到3223個差異表達(dá)基因(699個下調(diào)表達(dá),2524個上調(diào)表達(dá))。Z/Q中檢測到2887個差異表達(dá)基因(715個下調(diào)表達(dá),2172個上調(diào)表達(dá))。GO(Gene Ontology)功能富集分析表明,差異基因功能涉及氧化還原、碳水化合物代謝、磷酸化、細(xì)胞識別、光合作用的光反應(yīng)和光合電子傳遞等生物學(xué)過程。KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)代謝通路分析表明,差異表達(dá)基因顯著富集在光合作用、次生代謝產(chǎn)物的生物合成、氨基酸的生物合成、淀粉和蔗糖代謝等代謝通路。低鉀脅迫導(dǎo)致光系統(tǒng)I、光系統(tǒng)II、電子傳遞鏈及碳同化產(chǎn)物代謝相關(guān)基因的下調(diào)表達(dá),是低鉀誘導(dǎo)光合下降的重要機(jī)制。低鉀脅迫下,異源砧木嫁接西瓜葉片轉(zhuǎn)錄組中抗氧化酶和抗氧化物質(zhì)的相關(guān)基因,如過氧化物酶基因、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶基因、谷胱甘肽過氧化物酶基因等上調(diào)表達(dá),這可能是異源砧木嫁接西瓜抗氧化活性比自嫁西瓜高的原因。3.低鉀脅迫下,砧木嫁接提高了西瓜單果重和果實品質(zhì)。以Z/Z、Z/Y、Z/J和Z/Q為材料,基質(zhì)栽培,用正常供鉀(6 mM K~+)和低鉀脅迫(0.1 mM K~+)處理60 d,研究低鉀脅迫對嫁接西瓜果實產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明,低鉀脅迫降低了嫁接西瓜單果重和果實品質(zhì)(授粉后30 d成熟果實)。在2種鉀濃度下,Z/Y、Z/J和Z/Q的鉀吸收量和單果重均顯著高于Z/Z。在低鉀脅迫下,異源砧木嫁接西瓜的果實品質(zhì)優(yōu)于自嫁西瓜,可溶性固形物、蔗糖、Vc、β-胡蘿卜素的含量高于自嫁西瓜。砧木嫁接西瓜葉片ZR(玉米素核苷)含量和葉綠素含量(SPAD)高于自嫁接西瓜。異源砧木嫁接西瓜通過低鉀脅迫下根系對K~+的高效吸收和地上部維持較高的ZR含量,緩解低鉀脅迫對西瓜生長發(fā)育的抑制作用。4.自嫁西瓜果實轉(zhuǎn)錄組對低鉀脅迫更敏感。比較了嫁接西瓜Z/Z、Z/Y、Z/J和Z/Q在2種鉀濃度(6 mM K~+,0.1 mM K~+)下果肉轉(zhuǎn)錄組,基質(zhì)栽培。和正常供鉀(6 mM K~+)相比,低鉀(0.1 mM K~+)脅迫下,Z/Z嫁接西瓜果實有670個差異表達(dá)基因(451個上調(diào)表達(dá),219個下調(diào)表達(dá));Z/Y嫁接西瓜果實有27個差異表達(dá)基因(7個上調(diào)表達(dá),20個下調(diào)表達(dá));Z/J嫁接西瓜果實有16個差異表達(dá)基因(6個上調(diào)表達(dá),10個下調(diào)表達(dá));Z/Q嫁接西瓜果實有15個差異表達(dá)基因(11個上調(diào)表達(dá),4個下調(diào)表達(dá))。Z/Z果實轉(zhuǎn)錄組對低鉀脅迫更敏感。GO功能富集分析表明,Z/Z中差異基因主要富集在甘油磷酸二酯酶活性、多元醇代謝、單生物體糖代謝、細(xì)胞糖代謝、甘油代謝等過程。KEGG代謝通路分析表明,差異基因主要富集在�；撬岷蛠喤；撬岽x、DNA復(fù)制、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、光合生物中的碳固定、氮代謝等代謝途徑。5.異源砧木嫁接能提高西瓜果實一些功能性物質(zhì)的含量。以Z/Z、Z/Y、Z/J和Z/Q為材料,正常供鉀(6 mM K~+)和低鉀脅迫(0.1 mM K~+)處理,基質(zhì)栽培,研究嫁接西瓜果肉代謝組。共鑒定出38種代謝物,其中包括15種氨基酸、8種有機(jī)酸鹽、6種糖、4種核酸、5種其他化合物。最豐富的五種代謝物是葡萄糖、果糖、蔗糖、瓜氨酸和谷氨酰胺。在正常供鉀下,野生西瓜嫁接提高了腺苷、蛋氨酸的含量;葫蘆嫁接提高了腺苷、瓜氨酸、葡萄糖、蛋氨酸的含量;南瓜嫁接提高了天冬酰胺,瓜氨酸、富馬酸、谷氨酰胺、異亮氨酸、蛋氨酸、氧化型輔酶Ⅰ、苯丙氨酸、酪氨酸、纈氨酸的含量。低鉀脅迫下,野生西瓜嫁接提高了天冬酰胺、氧化型輔酶Ⅰ、肌醇和丙氨酸的含量;葫蘆嫁接提高了天冬酰胺、半乳糖和丙氨酸的含量;南瓜嫁接提高了肌醇、天冬酰胺的含量。綜上所述,砧木嫁接是提高耐低鉀性的重要措施。砧木嫁接提高了西瓜在低鉀脅迫下根系鉀吸收效率和的抗氧化能力;維持葉片較高的光合能力玉米素核苷的含量,是嫁接西瓜耐低鉀的重要原因。砧木嫁接還是提高西瓜果實營養(yǎng)品質(zhì)的主要手段。本研究發(fā)掘的低鉀響應(yīng)基因為未來開展西瓜的鉀營養(yǎng)分子機(jī)制研究工作奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖 1 西瓜嫁接苗在不同鉀水平下的根系生長狀況ig. 1 The root growth status of grafted watermelon seedling under different potassium lev：圖中字母代表差異顯著性。ote: Letters in the figure represent a significant difference.

圖 2 不同鉀水平下西瓜嫁接苗中 H2O2和 MDA 的含量Fig. 2 H2O2and MDAcontent in watermelon grafted seedling under different potassium levels.注：圖中字母代表差異顯著性。Note: Letters in the figure represent significant difference.
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S651

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前9條

1 楊苞梅;李國良;楊少海;何兆桓;周昌敏;姚麗賢;;不同鉀氮配比對荔枝果實礦質(zhì)元素含量及其耐貯性的影響[J];植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報;2015年05期

2 諸海燾;蔡樹美;余廷園;林天杰;高善民;范紅偉;田吉林;;中小型西瓜不同生育期對氮磷鉀的吸收分配規(guī)律研究[J];上海農(nóng)業(yè)學(xué)報;2014年03期

3 王朝東;李迎春;王西志;劉會玲;彭正萍;;不同基因型玉米適應(yīng)低鉀脅迫的根系響應(yīng)機(jī)理[J];河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報;2012年06期

4 馬樂園;于喜艷;;甜瓜果實八氫番茄紅素合成酶基因的克隆及正義表達(dá)載體的構(gòu)建[J];山東農(nóng)業(yè)科學(xué);2011年08期

5 王利;陳防;萬開元;;植物鉀效率及其評價的研究進(jìn)展與展望[J];土壤;2010年02期

6 張志勇;王清連;李召虎;段留生;田曉莉;;缺鉀對棉花幼苗根系生長的影響及其生理機(jī)制[J];作物學(xué)報;2009年04期

7 王仁才;夏利紅;熊興耀;李大志;;鉀對獼猴桃果實品質(zhì)與貯藏的影響[J];果樹學(xué)報;2006年02期

8 王芳;李友宏;李海洋;李靜;;干旱區(qū)西瓜需鉀特性及施鉀效應(yīng)研究[J];寧夏農(nóng)林科技;2005年06期

9 劉建祥,楊肖娥,楊玉愛,吳良?xì)g;低鉀脅迫下水稻鉀高效基因型若干生長特性和營養(yǎng)特性的研究[J];植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報;2003年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 張雯;鉀對蘋果果實品質(zhì)的影響及其與6-磷酸海藻糖代謝途徑的關(guān)系[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2017年

2 范墨林;西瓜不同基因型鉀效率的評價及根系鉀饑餓轉(zhuǎn)錄組研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2013年

3 甄愛;耐鹽砧木嫁接調(diào)控H_2O_2清除系統(tǒng)提高黃瓜幼苗耐鹽性的機(jī)制[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2011年

，

本文編號：2640011