【摘要】：小麥?zhǔn)侨蜃钪匾霓r(nóng)作物之一,干旱等逆境嚴(yán)重影響了其產(chǎn)量,因此培育抗旱小麥非常重要。本實驗室前期利用非對稱體細(xì)胞雜交技術(shù),以普通小麥濟南177(JN177)為母本,培育了小麥漸滲系耐鹽抗旱品種山融3號(SR3)。研究發(fā)現(xiàn),山融3號的基因組發(fā)生了遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)變異,這種變異是其耐鹽抗旱的遺傳基礎(chǔ)。黃酮醇是一類重要的次生代謝產(chǎn)物,在保衛(wèi)細(xì)胞中大量富集。實驗室前期研究從SR3中鑒定到了一個黃酮醇合成酶基因TaFLS1。由于表觀遺傳學(xué)變異,SR3中甲基化水平降低,TaFLS1的表達(dá)量明顯提高。以擬南芥TaFLS1過表達(dá)株系及擬南芥AtFLS1突變體為材料,研究發(fā)現(xiàn)黃酮醇能夠雙重調(diào)節(jié)氣孔運動,在正常條件下促進氣孔張開,在干旱(ABA)條件下促進氣孔關(guān)閉,進而提高抗旱能力。為了驗證小麥TaFLS1通過黃酮醇雙重調(diào)節(jié)氣孔運動的功能,深入探討其作用機制,本論文構(gòu)建了小麥TaFLS1過表達(dá)(CE)株系和RNAi株系,結(jié)合小麥漸滲系SR3開展以下研究:1.黃酮醇通過雙重調(diào)節(jié)氣孔運動來提高小麥的抗旱性TaFLS1的過表達(dá)能明顯提高小麥葉片和保衛(wèi)細(xì)胞中的黃酮醇含量,在RNAi株系中正好相反。控水實驗顯示,TaFLS1過表達(dá)株系的抗旱性明顯高于野生型,RNAi株系的抗旱性則明顯比野生型低。同時,TaFLS1的過表達(dá)能降低小麥離體葉片失水率,其RNAi株系的失水率明顯升高。在正常條件下,TaFLS1過表達(dá)株系葉片氣孔關(guān)閉的比例明顯低于野生型,而RNAi株系中的比例明顯提高;ABA處理后氣孔關(guān)閉的比例明顯提高,但與正常條件相反,TaFLS1過表達(dá)株系氣孔關(guān)閉的比例最高,RNAi株系最低。利用外源槲皮素的處理與TaFLS1過表達(dá)的結(jié)果相似,單獨處理時關(guān)閉氣孔的比例降低,而與ABA共處理關(guān)閉氣孔比例明顯高于ABA單獨處理。以上結(jié)果表明,小麥中黃酮醇也可以雙重調(diào)節(jié)氣孔運動,在干旱脅迫下通過促進氣孔關(guān)閉,進而降低失水率來提高抗旱性。2.黃酮醇調(diào)節(jié)氣孔運動與其對調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞中H202的含量相關(guān)H202在調(diào)控氣孔運動中發(fā)揮著核心作用。正常條件下,小麥TaFLS1過表達(dá)株系的保衛(wèi)細(xì)胞中H202的含量明顯低于野生型,RNAi株系中的含量則明顯高于野生型;ABA處理后,各株系的保衛(wèi)細(xì)胞中H202的含量均明顯升高,其中過表達(dá)株系中的含量提高最顯著,明顯高于野生型,RNAi株系中的提高程度較小,其含量遠(yuǎn)低于野生型。在正常條件下,TaFLS1過表達(dá)株系的NADPH氧化酶(NOX)的活性低于野生型但RNAi株系中的酶活性高于野生型;在干旱脅迫下,NOX的活性正好相反。以擬南芥為研究材料發(fā)現(xiàn),在ROS清除劑處理或者NOX突變的背景下,外源黃酮醇和ABA共同處理與ABA單獨處理的氣孔開度無明顯差異,TaFLS1的過表達(dá)對ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉也無促進作用。以上結(jié)果表明,黃酮醇通過改變NOX的活性來雙重調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞中H202的含量,從而雙重調(diào)節(jié)氣孔運動。3.黃酮醇調(diào)節(jié)氣孔運動依賴其對保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量的調(diào)控NO是氣孔運動信號通路中非常關(guān)鍵的二級信號分子。在正常條件下,外源黃酮醇處理和TaFLS1的過表達(dá),能降低擬南芥和小麥中硝酸還原酶(NR)的活性及其編碼基因AtNIA1和TaNR的表達(dá)量:在ABA處理下,外源黃酮醇處理和TaFLS1的過表達(dá)則會提高NR的活性及AtNIA1和TaNRR的表達(dá)。相應(yīng)的,在正常條件下,在TaFLS1的過表達(dá)株系中,保衛(wèi)細(xì)胞中NO的含量都明顯低于野生型,在TaFLS1的RNAi株系及擬南芥AtFLS1突變體flsl-1中,保衛(wèi)細(xì)胞中NO的含量則明顯高于野生型;在ABA、JA處理及干旱脅迫下,保衛(wèi)細(xì)胞中NO的含量均顯著升高,其中過表達(dá)株系中的含量明顯高于野生型,在小麥的RNAi株系及擬南芥的flsl-1中的上調(diào)最小,明顯低于野生型。另一方面,NO的供體SNP能強烈誘導(dǎo)TaFLS1和AtFLS1的表達(dá),并提高保衛(wèi)細(xì)胞中黃酮醇的含量。研究發(fā)現(xiàn),黃酮醇通過雙重調(diào)節(jié)NR的活性來雙重調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞中NO的含量,NO也能調(diào)控黃酮醇的合成和含量,表明NO和黃酮醇之間存在密切的關(guān)系。我們進一步分析了 NO在黃酮醇促進ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉中的作用。與單獨的ABA處理相比,在ABA和外源黃酮醇共同處理下,小麥關(guān)閉氣孔的比例更高,擬南芥氣孔開度更小;利用NR的抑制劑抑制NR的活性后,在單獨ABA處理與ABA和外源黃酮醇共同處理下,小麥關(guān)閉氣孔的比例及擬南芥氣孔開度的差異與無NR的抑制劑存在時的趨勢相反。在ABA處理下,在TaFLS1的過表達(dá)株系中,小麥關(guān)閉氣孔的比例高與野生型,在擬南芥的過表達(dá)株系中,擬南芥氣孔開度小于野生型。但是,當(dāng)利用NR的抑制劑抑制NR的活性后,TaFLS1的過表達(dá)不能提高ABA處理下小麥關(guān)閉氣孔的比例和降低擬南芥氣孔的開度。同樣,在NR的突變體nia1、nia2中,TaFLS1幻過表達(dá)也不能提高ABA處理下的氣孔開度。以上結(jié)果表明,黃酮醇可以通過調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞中NO的含量來雙重調(diào)節(jié)氣孔運動,同時黃酮醇促進ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉也依賴NO。4.黃酮醇雙重調(diào)節(jié)氣孔運動中NO與H2O2之間的關(guān)系NO和H202在調(diào)控氣孔運動中具有相互調(diào)控的關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn),在正常條件下,TaFLS1過表達(dá)株系中NOX的活性低于野生型,在SNP處理后,過表達(dá)株系中NOX的活性則明顯提高。在野生型中,黃酮醇處理會降低保衛(wèi)細(xì)胞中H2O2的含量,在黃酮醇和ABA共同處理下,則促進H2O2富集;與野生型不同,在NR的突變體nia1和nia2中,與對照條件相比,無論黃酮醇處理還是黃酮醇和ABA共同處理,保衛(wèi)細(xì)胞中H2O2的含量均無明顯變化。同樣,在NR的突變體nia1和nia2中,正常條件下TaTLS1的過表達(dá)也不能降低保衛(wèi)細(xì)胞中H2O2的含量,且ABA處理下不能提高H2O2的含量。以上結(jié)果表明,黃酮醇對保衛(wèi)細(xì)胞中H2O2含量的調(diào)控依賴于NO。另一方面,與野生型相比,正常條件下TaFLS1過表達(dá)系中NR的活性下降,但在H2O2處理后NR的活性明顯提高。與野生型中黃酮醇處理降低保衛(wèi)細(xì)胞中NO的含量,與黃酮醇和ABA共同處理促進NO的富集不同,在NOX的突變體rbohd和rbohf中,與對照條件相比,黃酮醇處理以及黃酮醇和ABA共處理下保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量均無明顯變化。同樣,在NOX的突變體rbohd和rbohf中,正常條件下TaFLS1的過表達(dá)也不能降低保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量,且在ABA處理下不能提高NO含量。以上研究表明,黃酮醇對保衛(wèi)細(xì)胞中NO含量的調(diào)控依賴于H2O2�？傊�,黃酮醇通過協(xié)同調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞中NO和H2O2的含量調(diào)控來調(diào)節(jié)氣孔運動。綜合本研究及實驗室的前期研究結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)保衛(wèi)細(xì)胞中高度富集的黃酮醇,通過雙重調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞中NO和H2O2的含量來雙重調(diào)節(jié)氣孔運動:在正常條件下促進氣孔張開,有利于增強氣體和水分交換,提高光合作用和蒸騰效率;在干旱脅迫下促進氣孔關(guān)閉,降低失水率,增強植物的保水能力,提高抗旱性。本研究工作首次將次生代謝物質(zhì)引入了氣孔運動的信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò),為進一步認(rèn)識氣孔運動的調(diào)控機制提供了重要線索。同時,TaFLS1也可作為重要的分子元件用于小麥抗旱的分子育種。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分類號】：S512.1

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本文編號：2258622