【摘要】：水分和礦質(zhì)養(yǎng)分對植物生長發(fā)育以及產(chǎn)量的形成必不可少。在生物有機(jī)體中,礦質(zhì)元素具有電化學(xué)、催化劑以及維持液壓系統(tǒng)等功能,養(yǎng)分缺乏對植物生長發(fā)育具有消極影響。干旱脅迫能通過影響形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、新陳代謝、轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及蛋白組學(xué)等過程,進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育。蘋果作為重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,在世界范圍內(nèi)廣泛種植。中國西北黃土高原是世界蘋果的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),但該地區(qū)土壤干旱和貧瘠較為常見,干旱和養(yǎng)分脅迫是制約該地區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩大主要因素。近年來雖然有報道稱多巴胺和褪黑素對緩解干旱脅迫和養(yǎng)分脅迫有重要作用,但是針對植物離子組養(yǎng)分濃度、吸收、轉(zhuǎn)移、分配以及重吸收等高效利用的調(diào)控作用未見報道。本試驗通過水培和田間盆栽試驗研究了多巴胺和褪黑素對干旱脅迫和養(yǎng)分脅迫下蘋果離子組的調(diào)控功能,并初步探討了其作用機(jī)理。利用多巴胺合成過程中關(guān)鍵酶(酪氨酸羥化酶,TH)和褪黑素合成過程中的限速酶(羥基吲哚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶,HIOMT)轉(zhuǎn)基因蘋果植株進(jìn)行了逆境處理,鑒定了TH和HIOMT在不同脅迫下的功能。主要研究結(jié)果如下:1.以平邑甜茶實生苗為試材,通過水培試驗研究了養(yǎng)分脅迫下外源多巴胺對植株生長、根系構(gòu)型、養(yǎng)分吸收等的影響。研究結(jié)果表明:養(yǎng)分脅迫下,植株生長受到顯著抑制,葉綠素濃度和光合速率降低,養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)移和分配受到影響。但外源施加100μM多巴胺顯著緩解了這些抑制作用,能夠維持葉綠素和光合作用在較高水平,促進(jìn)了植株對N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn和B的吸收和轉(zhuǎn)運,并改變了礦質(zhì)元素的分配。此外,外源多巴胺上調(diào)了抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)中抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)(MdcAPX、MdcGR、MdMDHAR、MdDHAR-1和MdDHAR-2),下調(diào)了衰老相關(guān)基因(SAG12、PAO和MdHXK)的表達(dá)。養(yǎng)分脅迫條件下外源多巴胺促進(jìn)了養(yǎng)分的吸收利用,這可能與其具有抗氧化和抗衰老的功能相關(guān)。以過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因蘋果植株為試材,通過水培試驗研究了轉(zhuǎn)基因植株對低氮脅迫的抗性。研究結(jié)果表明:低氮脅迫下,過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因株系的相對生長速率、δ~(15)N的濃度、吸收和積累量均高于野生型植株。定量表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因株系中硝酸根轉(zhuǎn)運蛋白相關(guān)基因(NRT1;1、NRT2;4、NRT2;5和NRT2;7)的表達(dá)量高于野生型植株。結(jié)果表明過量表達(dá)TH基因能夠顯著促進(jìn)蘋果植株對養(yǎng)分的吸收利用,并能提高對低氮脅迫的抗性。2.以‘長富-2’蘋果嫁接苗為試材,通過盆栽試驗研究了長期干旱脅迫下施加外源多巴胺對植株生理和分子水平上的影響。研究結(jié)果表明:干旱脅迫下,植株生物量、光合作用、葉綠素濃度、氣孔開張度等顯著降低,但外源施加100μM多巴胺能夠顯著緩解干旱脅迫對這些指標(biāo)的抑制作用。干旱脅迫下,大多數(shù)大量、微量和痕量元素濃度呈下降趨勢,干旱脅迫顯著降低了植株對這些元素的吸收,減少了礦質(zhì)養(yǎng)分向葉和莖中的轉(zhuǎn)運,但增加了養(yǎng)分在根中的積累。干旱脅迫降低了大部分元素的養(yǎng)分重吸收度,但增加了養(yǎng)分重吸收效率。外源多巴胺能夠顯著提高干旱脅迫下植株的元素濃度,促進(jìn)了養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運,并改變了元素在根、莖、葉中的分配。但外源多巴胺處理不利于植株對養(yǎng)分的重吸收。定量表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),干旱脅迫上調(diào)了衰老相關(guān)基因PAO和SAG12的表達(dá),但外源多巴胺能夠抑制其表達(dá)。干旱脅迫下外源多巴胺能夠調(diào)控植物對礦質(zhì)元素的吸收、轉(zhuǎn)運,分配和重吸收,進(jìn)而影響植物的生長,可能與其能夠延緩植物衰老有關(guān)。以過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因蘋果苗為試材,通過盆栽試驗研究了過表達(dá)TH植株對干旱脅迫的抗性。研究結(jié)果表明:自然干旱脅迫下,過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因株系能夠維持較高的葉片相對含水量、光合作用、氣孔開張度和葉綠素濃度,葉片相對電導(dǎo)率和過氧化氫含量顯著低于對照植株。過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因株系對δ~(15)N的吸收、利用和積累均顯著高于野生型植株。過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因株系中氮代謝相關(guān)酶(NR、NiR、GS和GOGAT)的活性顯著高于野生型植株。定量分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因株系中氮代謝(NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT)和吸收相關(guān)基因(AMT1;2、AMT1;5、AMT1;6、AMT2;1、NRT1;1、NRT2;4、NRT2;5和NRT2;7)的表達(dá)量顯著高于野生型植株。過表達(dá)TH轉(zhuǎn)基因株系長期干旱試驗結(jié)果相似。這些結(jié)果表明過量表達(dá)TH基因能夠顯著促進(jìn)蘋果植株對養(yǎng)分的吸收利用,提高了對干旱脅迫的抗性。3.以平邑甜茶實生苗為試材,通過水培試驗研究了養(yǎng)分脅迫下外源褪黑素對植株生長、根系構(gòu)型、養(yǎng)分吸收等的影響。研究結(jié)果表明:養(yǎng)分脅迫抑制了植株的生長,破壞了植株對元素的吸收。但外源施加0.1μM褪黑素能夠顯著緩解這些抑制作用。外源褪黑素顯著上調(diào)了抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)中抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)(MdcAPX、MdcGR、MdMDHAR、MdDHAR-1和MdDHAR-2)。褪黑素能夠顯著上調(diào)鉀轉(zhuǎn)運相關(guān)基因和CBL1-CIPK23途徑相關(guān)基因的表達(dá)。結(jié)果表明,褪黑素能夠調(diào)控ROS信號并激活CBL1-CIPK23途徑調(diào)控鉀離子蛋白通道基因的表達(dá),從而促進(jìn)植株對鉀離子的吸收。4.以‘長富-2’蘋果嫁接苗為試材,通過盆栽試驗研究了長期干旱脅迫下施加外源褪黑素對植株的影響。研究結(jié)果表明:干旱脅迫抑制了植株的生長和對大量以及微量元素的吸收,但外源施加100μM褪黑素能夠顯著緩解干旱脅迫對植株生長的抑制,并能維持植物對元素的吸收量。施加外源褪黑素同時能夠緩解干旱脅迫對光合作用、氣孔開張度、葉綠素濃度和葉片相對含水量的抑制作用,并能降低葉片相對電導(dǎo)率和過氧化氫含量。穩(wěn)定同位素示蹤試驗進(jìn)一步證明外源褪黑素能夠促進(jìn)干旱脅迫下植物對δ~(15)N的吸收、利用和積累。干旱脅迫顯著抑制了氮代謝相關(guān)酶(NR、NiR、GS和GOGAT)的活性,但褪黑素能夠緩解這種響應(yīng)。進(jìn)一步分析了褪黑素對氮代謝和轉(zhuǎn)運相關(guān)基因表達(dá)的影響,發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠上調(diào)氮代謝相關(guān)基因(NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT)和吸收相關(guān)基因(AMT1;2、AMT1;5、AMT1;6、AMT2;1、NRT1;1、NRT2;4、NRT2;5和NRT2;7)的表達(dá)量。同時,外源褪黑素處理顯著提高了植株體內(nèi)褪黑素含量。以過表達(dá)HIOMT轉(zhuǎn)基因蘋果苗為試材,通過盆栽試驗研究了轉(zhuǎn)基因植株對干旱脅迫的抗性。研究結(jié)果表明:自然干旱脅迫下,過表達(dá)HIOMT轉(zhuǎn)基因株系能夠維持較高的葉片相對含水量、光合作用、葉綠素濃度以及葉綠素?zé)晒鈪?shù),葉片相對電導(dǎo)率含量以及過氧化氫積累量顯著低于野生型植株,參與活性氧清除的SOD、POD和CAT活性以及ASA-GSH循環(huán)相關(guān)基因(MdcAPX、MdcGR、MdMDHAR、MdDHAR-1和MdDHAR-2)表達(dá)量均維持在較高水平,表明過表達(dá)HIOMT能夠增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株干旱脅迫下的抗氧化能力。長期干旱試驗結(jié)果相似,過表達(dá)HIOMT轉(zhuǎn)基因株系能夠緩解干旱對植株生長以及光合作用的抑制作用,緩解葉綠素的降解,過表達(dá)HIOMT轉(zhuǎn)基因株系對δ~(15)N的吸收、利用和積累均顯著高于野生型植株。干旱處理60天后,過表達(dá)HIOMT轉(zhuǎn)基因株系中氮代謝相關(guān)酶(NR、NiR、GS和GOGAT)的活性顯著高于野生型植株。定量分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)過表達(dá)HIOMT轉(zhuǎn)基因株系中氮代謝(NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT)和吸收相關(guān)基因(AMT1;2、AMT1;5、AMT1;6、AMT2;1、NRT1;1、NRT2;4、NRT2;5和NRT2;7)的表達(dá)量顯著高于野生型植株。這些結(jié)果表明過量表達(dá)HIOMT基因能夠顯著促進(jìn)蘋果植株對干旱脅迫的抗性。5.以富士結(jié)果樹為試材,通過盆栽試驗研究了干旱脅迫下長期施用多巴胺和褪黑素對果實生長以及品質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明:干旱脅迫顯著抑制了蘋果果實的生長,但外源多巴胺和褪黑素均能緩解這種抑制作用。干旱脅迫下,果實顏色指數(shù)(CI)和花青苷含量降低,表明干旱脅迫不利于果實著色。施加外源多巴胺和褪黑素能夠提高果實CI值和花青苷含量。干旱脅迫下,這兩種外源物質(zhì)升高了果實可溶性固形物含量,并能改變果實中其它可溶性糖含量。干旱脅迫下,外源多巴胺和褪黑素顯著促進(jìn)了果實對大量和微量元素的吸收。這些結(jié)果表明外源多巴胺和褪黑素能夠促進(jìn)干旱脅迫下果實著色,促進(jìn)花青苷和可溶性糖積累,并能顯著促進(jìn)果實對元素的吸收。
【圖文】：

第一章 文獻(xiàn)綜述 甲基化作用能夠合成各種衍生物，在仙人掌中兒茶量的甲基兒茶酚胺衍生物，含量最多的是去甲腎上植物培養(yǎng)基中添加酪胺和多巴胺的組培苗試驗發(fā)現(xiàn)用催化分解 (Meyer and Barz 1978)。植物體內(nèi)的胺與胺的降解 (Medda et al. 1995)。植物中最重要的作用生成黑色素。兒茶酚胺在植物中也可與其衍生的底物，，如多巴胺是植物合成生物堿的中間物質(zhì)。嗎啡、酶斯卡林等的合成 (Rosei et al. 1994)。

中褪黑素的生物合成途徑(Marino et al. 2015)。TDC，色氨酸脫羧酶五羥色胺-N-乙�；D(zhuǎn)移酶；AANAT, 芳香基-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶；AS清素甲基轉(zhuǎn)移酶；HIOMT，羥基吲哚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶c pathway of melatonin in plants and in animals. TDC, tryptophan deca5-hydroxylase; SNAT, serotonin N-acetyltransferase; AANAT, arylalkycetyltransferase; ASMT, N-aceylserotonin methyltransferase; HIOMT,hydroxyindole-O-methyltransferase植物中褪黑素的內(nèi)源代謝黑素含量受外界環(huán)境變化調(diào)控。紫外輻射甘草后，根系中的 7 倍，達(dá)到 80 μg g-1(Afreen et al. 2006)。用重金屬、鹽豆植物，發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)內(nèi)源褪黑素含量顯著升高013)。羽扇豆在低溫 4℃生長內(nèi)源褪黑素含量是在 24℃時褪黑素的合成 (Arnao and Hernandez-Ruiz 2013)。干旱條含量是正常供水條件下植物的 4 倍，表明干旱脅迫也能影
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S661.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 樊衛(wèi)國;李慶宏;吳素芳;;長期干旱環(huán)境對柑橘生長及養(yǎng)分吸收和相關(guān)生理的影響[J];中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報;2012年11期

2 張娜;張海軍;楊榮超;黃韞宇;郭仰東;;褪黑素在植物中的功能研究進(jìn)展[J];中國農(nóng)學(xué)通報;2012年09期

3 吳鵬飛;馬祥慶;;植物養(yǎng)分高效利用機(jī)制研究進(jìn)展[J];生態(tài)學(xué)報;2009年01期

4 汪貴斌;袁安全;曹福亮;景茂;潘靜霞;;土壤水分脅迫對銀杏無機(jī)營養(yǎng)元素含量的影響[J];南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2005年06期

5 張歲岐,李金虎,山侖;干旱下植物氣孔運動的調(diào)控[J];西北植物學(xué)報;2001年06期

6 關(guān)軍鋒,李廣敏;Ca~(2+)與植物抗旱性的關(guān)系[J];植物學(xué)通報;2001年04期

7 程瑞平;束懷瑞;顧曼如;;水分脅迫對蘋果樹生長和葉中礦質(zhì)元素含量的影響(簡報)[J];植物生理學(xué)通訊;1992年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 李超;外源褪黑素和多巴胺對蘋果抗旱耐鹽性的調(diào)控功能研究[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2016年

2 王平;外源褪黑素對蘋果葉片衰老的調(diào)控及相關(guān)自噬基因的功能分析[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2015年

3 殷麗華;蘋果屬資源對蘋果褐斑病的抗性機(jī)理及抗性誘導(dǎo)研究[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2013年

本文編號：2687292