【摘要】：干濕交替是協(xié)調(diào)水稻根際水分與氧氣供應(yīng)的一種重要農(nóng)藝措施。干濕交替在稻田中的應(yīng)用,能夠顯著提高水稻的根系活力,有利于水稻高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的形成。根表鐵膜是水稻適應(yīng)逆境環(huán)境下形成的天然屏障,對促進(jìn)營養(yǎng)元素的高效吸收和阻隔有害重金屬元素向稻米籽粒運輸發(fā)揮著重要作用。在稻田進(jìn)行干濕交替灌溉過程中,水稻根表也會形成鐵膜。然而,干濕交替誘導(dǎo)水稻根表鐵膜形成的生理與分子機(jī)理并不清楚。本文從鐵膜的組成與影響因素出發(fā),探討了干濕交替影響根表紅棕色鐵膜形成的生理過程、根系基因差異表達(dá)譜和根表紅棕色鐵膜形成的分子機(jī)理。具體研究結(jié)果如下:(1)化學(xué)分析表明,根表鐵膜主要由無定型態(tài)和結(jié)晶態(tài)鐵組成,占根表總鐵的84%以上,且主要以Fe3+為主,占70%以上。正常磷處理條件下,水稻根表鐵礦物主要以磷酸鐵為主;缺磷處理條件下,水稻根表鐵礦物主要以氧化鐵或氫氧化鐵為主。水稻根表鐵膜由紅棕色鐵膜和非紅棕色鐵膜組成。磷素、特別是磷鐵比顯著影響根表紅棕色和非紅棕色鐵膜的形成。當(dāng)磷鐵比小于1:3時,隨著根際磷鐵比的降低,根表紅棕色鐵膜數(shù)量增加。(2)干濕交替促進(jìn)根際氧化還原電位(Eh)的上升,Eh值從314.2 m V上升到529.5 m V;降低p H值,p H值從5.53下降到3.43;且干濕交替降低溶液中Fe2+濃度,其值從310.6μmol/L下降到31.5μmol/L。(3)不同干濕交替強(qiáng)度和次數(shù)處理表明,干濕交替強(qiáng)度為12 h干旱和12 h淹水處理、且干濕交替處理5次時,水稻根系氧化力最大,達(dá)1036.73μg/h/g DW,比長期淹水對照增加了16.8%。干濕交替處理明顯增加水稻根系抗氧化酶活性,隨著干濕交替處理次數(shù)的增加,根系抗氧化酶活性如超氧化物岐化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)分別比對照增加了24.6-38.4%、22.2-27.1%、21.2-21.5%和3.6-10.4%;根系內(nèi)源氧化性物質(zhì)如超氧陰離子(O2-·)和過氧化氫(H_2O_2)含量分別比對照增加了14.5-30.0%和29.0-35.7%。(4)為了研究H_2O_2在鐵膜形成過程中的作用,研究了H_2O_2抑制劑(DMTU:二甲基硫脲,為H_2O_2清除劑;CAT:過氧化氫酶,為H_2O_2水解酶;AT:3-氨基-1,2,4-三唑,為CAT抑制劑)對水稻根表鐵膜形成的影響。結(jié)果表明,DMTU處理的水稻根系內(nèi)H_2O_2含量、根系氧化力和根表DCB-Fe數(shù)量分別比不加抑制劑處理的相應(yīng)值降低了27.2%、19.8%和18.4%;AT處理的水稻根系H_2O_2含量、根系氧化力和根表DCB-Fe數(shù)量則分別增加了31.8%、22.8%和26.7%;外源CAT添加處理降低了根表氧化性物質(zhì),DCB-Fe的數(shù)量減少了24.5%。(5)為了探究H_2O_2的可能來源,我們對長期淹水(CK)、干濕交替(AWD)、長期淹水加Fe2+(CK+Fe)和干濕交替加Fe2+(AWD+Fe)處理條件下的水稻根系進(jìn)行了基因差異表達(dá)譜分析。我們對四個數(shù)據(jù)庫(AWD/CK、(AWD+Fe)/(CK+Fe)、(CK+Fe)/CK和(AWD+Fe)/AWD)進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn),有3822個差異表達(dá)基因參與了干濕交替和鐵膜的形成過程。其中,AWD/CK(506上調(diào)和687下調(diào))中的差異表達(dá)基因多于(AWD+Fe)/(CK+Fe)(308上調(diào)和179下調(diào)),表明鐵膜形成后會恢復(fù)部分基因的表達(dá)水平。與AWD/CK和AWD+Fe/AWD處理相比,(CK+Fe)/CK(728上調(diào)和1175下調(diào))和(AWD+Fe)/AWD(1252上調(diào)和1189下調(diào))有較多的差異表達(dá)基因。(6)利用GO(Gene Ontology)對四個數(shù)據(jù)庫中差異表達(dá)基因進(jìn)行功能分類,發(fā)現(xiàn)有270個差異表達(dá)基因參與了氧化還原反應(yīng)過程,165個差異表達(dá)基因與氧化還原酶功能有關(guān)。利用KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)對四個數(shù)據(jù)庫中的差異表達(dá)基因進(jìn)行生物通路富集分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),差異表達(dá)基因主要分布在代謝通路、生物合成通路、光合作用通路、信號刺激通路和細(xì)胞器通路。利用維恩圖分析差異表達(dá)基因的整體分布,發(fā)現(xiàn)四個數(shù)據(jù)庫中有38個共同差異表達(dá)基因,這些基因的蛋白注釋,表明它們與水稻抗病性、抗旱性、細(xì)胞壁和細(xì)胞膜、氧化還原、蛋白激酶和轉(zhuǎn)運、新陳代謝過程有關(guān)。AWD與CK相比,氧化還原反應(yīng)過程中差異表達(dá)基因最多,達(dá)102個基因,占總差異表達(dá)基因數(shù)的8.25%,其中30個基因上調(diào)表達(dá),72個基因下調(diào)表達(dá)。熒光定量PCR結(jié)果與基因表達(dá)譜分析結(jié)果基本一致,兩者的線性回歸分析發(fā)現(xiàn),其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.90。干濕交替處理促進(jìn)了水稻根系乙醇酸氧化酶基因(OsGLO)的表達(dá),水稻根系OsGLO3和OsGLO4表達(dá)量分別是對照的2.2倍和2.7倍,表明,OsGLO參與了氧化還原反應(yīng)過程,OsGLO可能受干濕交替誘導(dǎo)。(7)OsGLO生物信息學(xué)分析表明,OsGLO家族有6個成員,其中OsGLO1、OsGLO3、OsGLO4和OsGLO5編碼蛋白序列的保守結(jié)構(gòu)域類似。除了OsGLO5外,OsGLO1、OsGLO3和OsGLO4的氨基酸序列和核酸序列相似性均大于70%,并且具有較高的同源性和較近的進(jìn)化程度。OsGLO1和OsGLO4編碼蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)基本相似,且兩者在各組織中的表達(dá)豐度相對較高。有趣的是,OsGLO4在水稻根和莖中表達(dá)豐度最高,是OsGLO1的1.36倍。因此,在下述試驗中,我們選擇了OsGLO4基因作為研究對象。(8)為了研究OsGLO4基因在水稻根表鐵膜形成過程中的影響,通過合作研究,我們獲得了水稻OsGLO4基因的干涉材料(OsGLO4-RNAi)和超表達(dá)材料(OsGLO4-OX)。結(jié)果表明,在正常生長條件下,與WT相比,OsGLO4-RNAi水稻根系中OsGLO4基因表達(dá)量、乙醇酸氧化酶活性和DCB-Fe含量分別下降了35.6%、70.9%和16.5%。OsGLO4-OX水稻OsGLO4基因表達(dá)量、乙醇酸氧化酶活性和DCB-Fe含量分別上升了103.4%、101.6%和15.2%。利用GLC(乙醇酸,乙醇酸氧化酶促進(jìn)劑)和HPMS(α-羥基-2-吡啶甲磺酸,乙醇酸氧化酶抑制劑)對OsGLO4-OX水稻根表鐵膜進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與對照相比,GLC處理水稻根表鐵膜數(shù)量增加了10.9%,HPMS處理水稻根表鐵膜下降了29.7%,表明,水稻OsGLO4基因調(diào)控了根表鐵膜的形成。(9)另外,我們還研究了DMTU和AT對WT和OsGLO4-OX材料根表鐵膜數(shù)量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與不加抑制劑處理相比,DMTU處理的WT和OsGLO4-OX材料根表DCB-Fe分別下降了17.5%和18.4%;AT處理水稻根表DCB-Fe分別增加了23.4%和25.7%。正常處理的水稻根系基部H_2O_2含量比根尖增加了72.6%,其CAT活性比根尖下降了32.3%,且根基部有大量紅棕色鐵膜,而根尖無明顯紅棕色鐵膜出現(xiàn);AT處理的水稻根系基部H_2O_2含量與根尖相比下降了28.0%,根基部紅棕色鐵膜明顯少于根尖。隨著干濕交替次數(shù)的增加,根系OsGLO4基因表達(dá)量逐漸增加,乙醇酸氧化酶活性最大增加了55.9%,H_2O_2熒光染色顯示,干濕交替誘導(dǎo)了大量的H_2O_2在根表分泌,有趣的是,在水稻根尖和根系中柱細(xì)胞也發(fā)現(xiàn)大量H_2O_2的累積。綜上所述,干濕交替提高了水稻根系活力,提高根際Eh,降低溶液中的p H和Fe2+濃度,增加Fe2+的氧化,促進(jìn)根表紅棕色鐵膜的形成,根表紅棕色鐵膜的形成是一個生物介導(dǎo)的根際生理與生化綜合過程。干濕交替增加OsGLO4基因表達(dá),增加乙醇酸氧化酶的活性,累積較多的H_2O_2,提高根系氧化力,OsGLO4基因促進(jìn)了水稻根表紅棕色鐵膜的形成。
【圖文】：

葉片披垂率較高，光合速率較低（王衛(wèi)等，2010）。因此，干濕交替不管對水稻根系、莖葉和籽粒都產(chǎn)生非常重要的影響，增加水稻的產(chǎn)量和提高稻米的品質(zhì)（Jabran et al., 2015）。我們的試驗結(jié)果也表明，長期淹水處理明顯抑制水稻根系和地上部的生長，表現(xiàn)為根系發(fā)黑發(fā)臭（圖 1. 1A、B），且隨著淹水深度的增加，根系受的缺氧脅迫程度增加，，表現(xiàn)為遠(yuǎn)離根基部，根系受到的缺氧脅迫越嚴(yán)重（圖 1. 1C）。有趣的是，淹水處理后的水稻根尖受缺氧脅迫的程度較根系其它根段輕（圖 1. 1D）。然而，伊萬思藍(lán)染色后的水稻根尖出現(xiàn)輕微的毒害現(xiàn)象（圖 1. 1E），根系生物量明顯降低（圖 1. 1G），可能與長期淹水環(huán)境造成過量活性氧迸發(fā)有關(guān)（Mittler et al., 2015）。干濕交替處理明顯改善了水稻根系遭受缺氧脅迫的程度，根系無發(fā)黑發(fā)臭的現(xiàn)象，且根尖觀察不到伊萬思藍(lán)的染色，說明了干濕交替能緩解水稻根系因淹水造成的缺氧脅迫。

耐旱性的一種直觀的體現(xiàn)（Wang et al., 2016）。干濕濕交替可能也能夠提高水稻根系氧化力。Chu 等（2提高水稻根系干物質(zhì)量、根長密度和根系活力，提高12）。Yang 等（2004）研究發(fā)現(xiàn)，干濕交替處理有利氧化力的增加，促進(jìn)水稻對 N、P 和 K 的吸收利用和加灌漿速率、千粒重和產(chǎn)量。有研究表明，干濕交替劍葉光合速率，增加了蔗糖-淀粉轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵酶活性，物的品質(zhì)（Zhang et al., 2008）。我們研究結(jié)果也表明顯下降（圖 1. 2A、C），而干濕交替處理明顯提高水明了干濕交替對水稻根系生理生化產(chǎn)生了明顯的影響交替促進(jìn)養(yǎng)分高效吸收、增加光合速率和促進(jìn)關(guān)鍵酶產(chǎn)量。
【學(xué)位授予單位】：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S511


本文編號：2563597