發(fā)布時間：2017-09-23 04:04

  本文關(guān)鍵詞：擬南芥不同生態(tài)型響應(yīng)鹽脅迫的自然變異研究

  更多相關(guān)文章： 擬南芥生態(tài)型 自然變異 耐鹽性 Na~+ K~+

【摘要】：鹽脅迫是影響植物生長和農(nóng)作物產(chǎn)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(dǎo)致植物葉面積擴(kuò)展受阻、光合作用以及生物量積累降低等。植物在適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境時形成了許多耐受調(diào)節(jié)機(jī)理,如Na+的外排、Na+區(qū)隔化進(jìn)入液泡、可溶性物質(zhì)的積累和活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)的清除等。深入認(rèn)識植物耐鹽生理和分子機(jī)制,不僅具有重要的科學(xué)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(dǎo)。擬南芥作為科學(xué)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(yīng)機(jī)制的良好材料。先前文獻(xiàn)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(jī)制調(diào)控下的綜合表現(xiàn)性狀,但是,目前關(guān)于擬南芥不同生態(tài)型響應(yīng)鹽脅迫的自然變異及其調(diào)控機(jī)理仍不是很清楚,尚需進(jìn)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(jìn)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(yīng)答鹽脅迫的生理生化性狀進(jìn)行了較全面的分析和比較,進(jìn)一步探究了擬南芥響應(yīng)鹽脅迫的自然變異及其分子調(diào)控機(jī)制,主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：1.擬南芥耐鹽生態(tài)型的篩選、鑒定和相關(guān)耐鹽生理指標(biāo)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(jìn)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(jìn)一步確證其耐鹽性,又進(jìn)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(jié)果表明,在上述不同的鹽處理條件下,它們均表現(xiàn)出較強(qiáng)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(qiáng)的耐鹽性。進(jìn)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(xì)胞膜傷害程度輕,耐鹽能力強(qiáng)。2.擬南芥不同耐鹽型在鹽脅迫下的Na+、K+離子平衡的調(diào)控先前研究表明,細(xì)胞內(nèi)高水平的K+和低的Na+/K+比率對植物的耐鹽性起到至關(guān)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(guān)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(jìn)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(diào)控作用。進(jìn)一步采用非損傷微測技術(shù)對Col-0和各耐鹽生態(tài)型中的K+流動情況進(jìn)行測定,結(jié)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(xì)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(nèi)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(qiáng)的K+滯留或阻礙K+流失的能力。進(jìn)一步對K+吸收的重要轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因AtHAK5、AtCHX17和AtKUP1的表達(dá)水平進(jìn)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(dá)水平與其高的K+含量呈現(xiàn)正相關(guān)性。鹽處理后,AtHAKS在各耐鹽型中的表達(dá)水平均明顯高于Col-0,在Mog-11和Got-1中該基因的表達(dá)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(dǎo)表達(dá),尤其在耐鹽型Mog-11、 Looe-2和Wil-1等中該基因的誘導(dǎo)表達(dá)更為明顯。SOS信號通路相關(guān)基因和NHX及HKT蛋白家族編碼基因是植物耐鹽的重要調(diào)控因子,SOS信號通路中的AtSOSs和AtNHX1,分別調(diào)控Na+向外排出細(xì)胞和Na+進(jìn)入液泡區(qū)隔化,而AtHKT1;1則參與了Na+由根向莖的運(yùn)輸過程,它們均是Na+轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的重要運(yùn)輸載體。為了檢測這些轉(zhuǎn)運(yùn)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(jié)果發(fā)現(xiàn),在該蛋白重要的C末端自抑制結(jié)構(gòu)域中第1116位的氨基酸發(fā)生了突變(T1116A),但是,該位點(diǎn)的變異在鹽敏感型中也存在,由此可知,該位點(diǎn)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(jìn)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(dá)水平無明顯變化,表明各生態(tài)型在調(diào)控Na+外排的效率上沒有明顯差別,這與其體內(nèi)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(dá)水平下降；鹽脅迫下,大多數(shù)耐鹽型中AtHKT1;1的表達(dá)水平也較Col-0低。綜上所述,我們的研究結(jié)果表明SOS信號通路、AtNHX1和AtHKT1;1在擬南芥各生態(tài)型中相當(dāng)保守,在應(yīng)答鹽脅迫的過程中發(fā)揮基礎(chǔ)性的調(diào)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(guān)鍵調(diào)控因子。3.擬南芥不同耐鹽型在鹽脅迫下的可溶性物質(zhì)的差異積累植物合成的可溶性物質(zhì)的積累對細(xì)胞特別是處于脅迫狀態(tài)下的細(xì)胞具有保護(hù)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(zhì)(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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),與Col-0相比,脯氨酸降解相關(guān)的基因AtProDH1和AtP5CDH在各耐鹽型中的表達(dá)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(guān)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(yīng)答ROS是介導(dǎo)鹽脅迫響應(yīng)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(jī)制,我們對各耐鹽的生態(tài)型進(jìn)行了ROS水平檢測及相關(guān)基因表達(dá)分析。NBT和DAB染色檢測的結(jié)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(jié)果顯示各耐鹽型中均有較高的SOD活性,進(jìn)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(dá)水平(Mog-11除外)。同樣,AtCAT2和AtAPX2在各耐鹽型中的表達(dá)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(dá)水平更為顯著。另外,ROS信號途徑中的2個上游轉(zhuǎn)錄因子AtZATIO和AtZAT12在各耐鹽型中的表達(dá)水平也較高。由此可以推測,各耐鹽型都具有較強(qiáng)的清除ROS的能力,也是其具有較高耐鹽性的原因之一。
【關(guān)鍵詞】：擬南芥生態(tài)型 自然變異 耐鹽性 Na~+ K~+
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(jī)理研究18-37
• 1.2.1 植物耐鹽的表觀形態(tài)適應(yīng)18-19
• 1.2.2 植物耐鹽的生理生化基礎(chǔ)19-22
• 1.2.3 植物耐鹽的分子調(diào)控機(jī)制22-37
• 1.3 擬南芥及其不同生態(tài)型的耐鹽性研究進(jìn)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(kuò)增及測序分析48-50
• 2.3.8 基因的表達(dá)分析50-53
• 2.3.9 可溶性物質(zhì)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(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析61-62
• 3. 結(jié)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(chǔ)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(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)分析68-70
• 3.5 擬南芥不同耐鹽型的Na~+轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的序列變異及表達(dá)分析70-76
• 3.6 擬南芥不同耐鹽型的可溶性物質(zhì)含量變化76-77
• 3.7 擬南芥不同耐鹽型的脯氨酸代謝相關(guān)基因的表達(dá)分析77-79
• 3.8 擬南芥不同耐鹽型的ROS水平變化及應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá)分析79-83
• 4. 討論83-86
• 總結(jié)86-87
• 附錄87-94
• 參考文獻(xiàn)94-106
• 致謝106-107
• 發(fā)表文章107-108
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表108

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

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本文編號：903080