本文關鍵詞：擬南芥不同生態(tài)型響應鹽脅迫的自然變異研究

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【摘要】：鹽脅迫是影響植物生長和農作物產量的一個重要環(huán)境限制因素。鹽脅迫易引發(fā)離子脅迫和滲透脅迫,最終導致植物葉面積擴展受阻、光合作用以及生物量積累降低等。植物在適應鹽脅迫環(huán)境時形成了許多耐受調節(jié)機理,如Na+的外排、Na+區(qū)隔化進入液泡、可溶性物質的積累和活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)的清除等。深入認識植物耐鹽生理和分子機制,不僅具有重要的科學意義,而且還能為將來作物的耐鹽育種提供重要的理論指導。擬南芥作為科學研究的一種重要模式植物,其生態(tài)型分布在世界各地,形態(tài)多樣,因此,不同生態(tài)型的擬南芥是研究植物對各種環(huán)境脅迫響應機制的良好材料。先前文獻報道,植物的耐鹽性是由多基因控制、多種生理生化及分子機制調控下的綜合表現(xiàn)性狀,但是,目前關于擬南芥不同生態(tài)型響應鹽脅迫的自然變異及其調控機理仍不是很清楚,尚需進一步深入研究。因此,我們以本實驗室保存的82種分布于不同地域的擬南芥生態(tài)型為實驗材料,分別對其進行鹽脅迫處理,共篩選出了7種耐鹽生態(tài)型(以Col-0作參照),并對其應答鹽脅迫的生理生化性狀進行了較全面的分析和比較,進一步探究了擬南芥響應鹽脅迫的自然變異及其分子調控機制,主要研究內容和結果如下：1.擬南芥耐鹽生態(tài)型的篩選、鑒定和相關耐鹽生理指標的測定82種不同擬南芥生態(tài)型分布在歐洲(Europe)、亞洲(Aisa)、東非(North Africa)和北美洲(North America)等,對此進行150 mM和200 mM NaCl處理,以Col-0做參照,共篩選出了7種耐鹽生態(tài)型,分別是Bs-1 (Switzerland)、Mog-11 (France)、 Looe-2 (UK)、Got-1 (Germany)、Wil-1 (Russia)、Nd-1 (Germany)和Sav-0(Czech Rep)。為進一步確證其耐鹽性,又進行了一系列不同濃度梯度(OmM、150 mM、180 mM和200 mM NaCl)的鹽處理,結果表明,在上述不同的鹽處理條件下,它們均表現(xiàn)出較強的耐鹽性狀,而且在高鹽液態(tài)MS培養(yǎng)基中的短期鹽脅迫或移栽入土后長期高鹽溶液的澆灌處理后,也均表現(xiàn)出較強的耐鹽性。進一步分析發(fā)現(xiàn),與Col-0相比,各耐鹽型擬南芥在鹽脅迫下有較長的主根、較高的葉綠素含量以及較低的子葉白化率。另外,各耐鹽型擬南芥在鹽脅迫下積累較少的丙二醛(Malondialdehyde,MDA),表明其細胞膜傷害程度輕,耐鹽能力強。2.擬南芥不同耐鹽型在鹽脅迫下的Na+、K+離子平衡的調控先前研究表明,細胞內高水平的K+和低的Na+/K+比率對植物的耐鹽性起到至關重要的作用。我們的研究發(fā)現(xiàn),與Col-0相比,無論是鹽脅迫還是非鹽脅迫狀態(tài)下,各耐鹽生態(tài)型植株中的Na+含量均無明顯差異,表明Na+含量的變化并不是各耐鹽生態(tài)型耐高鹽脅迫的關鍵性因素。有意思的是,鹽處理后,所檢測生態(tài)型中K+含量均下降,但與Col-0相比,各耐鹽型仍保持較高的K+含量,進而表現(xiàn)出較低的Na+/K+比率,這表明擬南芥各耐鹽生態(tài)型中較高的K+含量對其耐鹽性起到重要的調控作用。進一步采用非損傷微測技術對Col-0和各耐鹽生態(tài)型中的K+流動情況進行測定,結果顯示,在非脅迫狀態(tài)下,所檢測的各生態(tài)型均呈現(xiàn)為向細胞外的K+凈流速,鹽脅迫狀態(tài)下亦如此,但與Col-0相比,各耐鹽型均有較低的K+凈流速,表明各耐鹽型體內較高的K+含量是與其較低的K+凈流速相一致的,同時也表明各耐鹽型在鹽脅迫下具有較強的K+滯留或阻礙K+流失的能力。進一步對K+吸收的重要轉運載體基因AtHAK5、AtCHX17和AtKUP1的表達水平進行qRT-PCR檢測,比較分析后發(fā)現(xiàn),它們在各耐鹽型中的表達水平與其高的K+含量呈現(xiàn)正相關性。鹽處理后,AtHAKS在各耐鹽型中的表達水平均明顯高于Col-0,在Mog-11和Got-1中該基因的表達水平尤為顯著,比Col-0高出10倍以上。另外,AtCHX17和AtKUPl也在鹽脅迫后被顯著誘導表達,尤其在耐鹽型Mog-11、 Looe-2和Wil-1等中該基因的誘導表達更為明顯。SOS信號通路相關基因和NHX及HKT蛋白家族編碼基因是植物耐鹽的重要調控因子,SOS信號通路中的AtSOSs和AtNHX1,分別調控Na+向外排出細胞和Na+進入液泡區(qū)隔化,而AtHKT1;1則參與了Na+由根向莖的運輸過程,它們均是Na+轉運相關的重要運輸載體。為了檢測這些轉運載體在不同生態(tài)型中參與耐鹽脅迫是否有差異,我們通過測序比較分析了各個耐鹽生態(tài)型中的AtSOS1序列變異情況,結果發(fā)現(xiàn),在該蛋白重要的C末端自抑制結構域中第1116位的氨基酸發(fā)生了突變(T1116A),但是,該位點的變異在鹽敏感型中也存在,由此可知,該位點的突變并不能影響SOS1蛋白的功能。同樣,耐鹽型中的AtSOS2、AtSOS3、 AtNHX1和AtHKT1;1基因也無明顯的有效突變。進一步通過qRT-PCR檢測發(fā)現(xiàn),鹽脅迫下,各生態(tài)型中AtSOS基因的表達水平無明顯變化,表明各生態(tài)型在調控Na+外排的效率上沒有明顯差別,這與其體內相似的Na+含量水平是相一致的。另外,在100mM NaCl處理3h后,與Col-0相比,耐鹽型Mog-11、Looe-2和Sav-0中AtNHX1的表達水平下降；鹽脅迫下,大多數耐鹽型中AtHKT1;1的表達水平也較Col-0低。綜上所述,我們的研究結果表明SOS信號通路、AtNHX1和AtHKT1;1在擬南芥各生態(tài)型中相當保守,在應答鹽脅迫的過程中發(fā)揮基礎性的調控作用,并不是造成各耐鹽型和Col-0之間的耐鹽性差異的關鍵調控因子。3.擬南芥不同耐鹽型在鹽脅迫下的可溶性物質的差異積累植物合成的可溶性物質的積累對細胞特別是處于脅迫狀態(tài)下的細胞具有保護作用。研究發(fā)現(xiàn),高鹽脅迫下各耐鹽型擬南芥中均有較高的可溶性物質(包括脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖)的積累,特別是脯氨酸的積累水平尤為顯著,進一步研究發(fā)現(xiàn),與Col-0相比,脯氨酸降解相關的基因AtProDH1和AtP5CDH在各耐鹽型中的表達水平明顯較低,這是與其較高的脯氨酸含量相一致的,而脯氨酸合成相關的基因AtP5CR、AtPSCS1和AtP5CS2沒有顯著變化。4.擬南芥不同耐鹽型在鹽脅迫下的差異性ROS應答ROS是介導鹽脅迫響應的重要信號分子。為了闡明ROS信號在不同生態(tài)型參與耐鹽脅迫的作用機制,我們對各耐鹽的生態(tài)型進行了ROS水平檢測及相關基因表達分析。NBT和DAB染色檢測的結果表明,與Col-0相比,鹽處理后各耐鹽型確實具有較低的ROS水平。另外,我們也檢測了SOD的活性,結果顯示各耐鹽型中均有較高的SOD活性,進一步研究發(fā)現(xiàn),編碼一種SOD的基因AtCSDl在各耐鹽型中具有較高的表達水平(Mog-11除外)。同樣,AtCAT2和AtAPX2在各耐鹽型中的表達水平也較高,尤其是耐鹽型Bs-1、Mog-11、Wil-1和Sav-0中AtAPX2的表達水平更為顯著。另外,ROS信號途徑中的2個上游轉錄因子AtZATIO和AtZAT12在各耐鹽型中的表達水平也較高。由此可以推測,各耐鹽型都具有較強的清除ROS的能力,也是其具有較高耐鹽性的原因之一。
【關鍵詞】：擬南芥生態(tài)型 自然變異 耐鹽性 Na~+ K~+
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q945.78
【目錄】：

• 中文摘要6-9
• ABSTRACT9-13
• 符號說明13-15
• 1. 前言15-41
• 1.1 鹽脅迫對植物的影響16-18
• 1.1.1 滲透脅迫16
• 1.1.2 離子毒害16-17
• 1.1.3 活性氧傷害17-18
• 1.2 植物耐受鹽脅迫的機理研究18-37
• 1.2.1 植物耐鹽的表觀形態(tài)適應18-19
• 1.2.2 植物耐鹽的生理生化基礎19-22
• 1.2.3 植物耐鹽的分子調控機制22-37
• 1.3 擬南芥及其不同生態(tài)型的耐鹽性研究進展37-40
• 1.4 本研究的目的和意義40-41
• 2. 材料與方法41-62
• 2.1 植物材料與培養(yǎng)41-42
• 2.2 鹽脅迫處理42-43
• 2.3 實驗方法43-62
• 2.3.1 主根相對增長率的測定43
• 2.3.2 子葉白化率的測定43
• 2.3.3 葉綠素含量的測定43-44
• 2.3.4 丙二醛(MDA)含量的測定44-45
• 2.3.5 Na~+和K~+含量測定45-46
• 2.3.6 K~+離子流測定46-48
• 2.3.7 基因組DNA的序列擴增及測序分析48-50
• 2.3.8 基因的表達分析50-53
• 2.3.9 可溶性物質含量的測定53-58
• 2.3.10 ROS水平和超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定58-61
• 2.3.11 數據的統(tǒng)計分析61-62
• 3. 結果與分析62-83
• 3.1 擬南芥不同耐鹽型的表型鑒定及生理基礎62-65
• 3.2 擬南芥不同耐鹽型的Na~+和K~+含量變化65-66
• 3.3 擬南芥不同耐鹽型的K~+離子流變化66-68
• 3.4 擬南芥不同耐鹽型的K~+轉運相關基因的表達分析68-70
• 3.5 擬南芥不同耐鹽型的Na~+轉運相關基因的序列變異及表達分析70-76
• 3.6 擬南芥不同耐鹽型的可溶性物質含量變化76-77
• 3.7 擬南芥不同耐鹽型的脯氨酸代謝相關基因的表達分析77-79
• 3.8 擬南芥不同耐鹽型的ROS水平變化及應答相關基因的表達分析79-83
• 4. 討論83-86
• 總結86-87
• 附錄87-94
• 參考文獻94-106
• 致謝106-107
• 發(fā)表文章107-108
• 學位論文評閱及答辯情況表108

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前5條

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本文編號：903080