不同保綠類型玉米葉片光合特性與蛋白質(zhì)組差異及氮素調(diào)控.pdf

1、本試驗(yàn)于2010-2012年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)黃淮海區(qū)域玉米技術(shù)創(chuàng)新中心和作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用兩個(gè)保綠差異明顯的玉米自交系為材料(保綠型:齊319(Q319)、非保綠型:黃早四(HZ4))。采取單株盆栽種植模式。氮素處理分為缺氮(N0)和正常施氮(N40)兩種，P、K肥按照大田標(biāo)準(zhǔn)正常施入，正常施氮處理苗期基肥50％+大口期追肥50％。利用葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)和820 nm光吸收曲線系統(tǒng)研究了不同保綠型玉米花后衰老過程中葉片光

2、合作用衰退的原因及氮素調(diào)控機(jī)理。同時(shí)利用雙向電泳技術(shù)，分析衰老過程中葉片差異蛋白質(zhì)組學(xué)的變化規(guī)律及氮素調(diào)控關(guān)鍵位點(diǎn)。主要結(jié)果如下:
　　 1不同保綠型玉米花后葉片光合特性的變化差異
　　 衰老中前期葉片凈光合速率與光系統(tǒng)性能間存在極顯著的相關(guān)性，該階段光系統(tǒng)性能是限制葉片凈光合速率強(qiáng)弱的主要原因，但兩者之間的相關(guān)性在衰老中后期呈減弱趨勢(shì)，同時(shí)葉片凈光合速率與羧化反應(yīng)系統(tǒng)性能間的相關(guān)性呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，因此在葉片衰老中后期，羧

3、化系統(tǒng)活性成為限制葉片凈光合速率強(qiáng)弱的主要因素。兩品種相比，保綠型玉米Q319葉片光系統(tǒng)性能在衰老中前期顯著高于非保綠型玉米HZ4，高性能維持期也顯著長(zhǎng)于HZ4;同時(shí)，羧化反應(yīng)性能衰老中后期下降顯著低于HZ4，對(duì)減緩凈光合速率后期下降起到了穩(wěn)定作用。
　　 2氮素對(duì)玉米花后葉片光合特性的影響
　　 施氮條件下兩品種葉片光系統(tǒng)性能與凈光合速率間的相關(guān)性關(guān)系向衰老后期延續(xù)。羧化反應(yīng)關(guān)鍵酶活性與凈光合速率之間呈顯著相關(guān)性的時(shí)期

4、向衰老前期提前，同時(shí)向衰老后期延續(xù)。氮素對(duì)光系統(tǒng)性能和羧化反應(yīng)系統(tǒng)性能同時(shí)提升的作用是維持同化力形成與消耗平衡的關(guān)鍵。品種間相比，HZ4葉片光系統(tǒng)性能和羧化反應(yīng)關(guān)鍵酶活性在施氮條件下較缺氮處理隨略有提高，但不足以改善葉片衰老過程中兩系統(tǒng)的整體變化趨勢(shì)，因此衰老中前期光系統(tǒng)性能下降明顯，中后期羧化反應(yīng)系統(tǒng)性能快速降低，同化力形成與消耗之間存在著不同步現(xiàn)象，客觀表現(xiàn)為葉片衰老中前期“穩(wěn)定態(tài)”和“緩降態(tài)”維持時(shí)間較短，衰老中后期“速降態(tài)”過早

5、出現(xiàn)。
　　 3不同保綠型玉米花后葉片差異蛋白質(zhì)組變化
　　 兩品種葉片衰老過程中差異蛋白主要分布在葉綠體、細(xì)胞間質(zhì)和細(xì)胞膜內(nèi)。按主要功能分類在整個(gè)衰老過程占有比例最高的隸屬于碳代謝、光合作用、能量代謝和ATP互變4個(gè)領(lǐng)域。其中，占比例最大的兩個(gè)功能組分別是碳代謝和光合作用功能組，兩組的比例在衰老中期和后期顯著降低，其中保綠型玉米Q319兩組隨衰老的降幅顯著高于HZ4。兩品種差異蛋白中權(quán)重蛋白分布也主要集中于光合作用組和

6、碳代謝組。HZ4權(quán)重蛋白活性隨衰老呈下調(diào)趨勢(shì)，蛋白變化范疇集中于羧化反應(yīng)酶系，且前期無活性上調(diào)現(xiàn)象，而Q319權(quán)重蛋白活性則隨衰老呈先升后降趨勢(shì)，蛋白變化范疇廣，在羧化反應(yīng)酶系、光反應(yīng)酶系及抗氧化酶系中均有表達(dá)，尤其是前期光反應(yīng)相關(guān)酶系活性的上調(diào)顯著。
　　 4缺氮對(duì)玉米花后葉片差異蛋白質(zhì)組的影響
　　 缺氮條件下，保綠型玉米Q319葉片在衰老前期差異蛋白質(zhì)表達(dá)量以上調(diào)為主，上調(diào)蛋白數(shù)量顯著多于施氮處理，但表達(dá)量顯著小于

7、施氮處理。該時(shí)期表達(dá)量上調(diào)的差異蛋白主要功能集中于超氧化物清除酶系、光合作用酶系以及碳代謝和能量代謝酶系，其中具有光合作用功能和碳代謝功能的上調(diào)蛋白在衰老前期占有比例顯著多于其他功能。缺氮處理葉片在衰老中期和后期，具有超氧化物清除、光合作用及碳代謝功能的權(quán)重差異蛋白表達(dá)數(shù)量顯著增加，同時(shí)表達(dá)量下調(diào)幅度增大，導(dǎo)致葉片衰老中后期活性氧清除性能下降，光合作用性能降低，同時(shí)伴隨碳代謝能力下降。
　　 5不同保綠型花后葉片光/羧相關(guān)蛋白質(zhì)

8、組變化差異
　　 兩品種葉片衰老過程中，隸屬于PSⅠ電子傳遞鏈末端具有同化力形成功能的蛋白質(zhì)組活性下降速度顯著快于定位于PSⅡ電子傳遞鏈前段具有光能/電能轉(zhuǎn)化的蛋白質(zhì)組活性，導(dǎo)致用于羧化反應(yīng)的同化力數(shù)量下降，與本試驗(yàn)光合生理所闡述的光系統(tǒng)在衰老過程中性能的強(qiáng)弱主要受控于PSI性能的高低結(jié)果一致。品種間相比，非保綠型玉米HZ4同化力形成能力下降在衰老過程中明顯快于保綠型玉米Q319，與兩品種衰老過程中光系統(tǒng)差異結(jié)果一致。衰老中前期

9、Q319葉片羧化系統(tǒng)同化力消耗能力顯著高于HZ4，利于維持同化力形成與消耗之間的平衡，較好的解釋了Q319葉片衰老中前期存在著明顯的光合高值持續(xù)期，而HZ4則衰老快速下降的分子生物學(xué)原因。
　　 6缺氮對(duì)玉米花后葉片光/羧相關(guān)蛋白質(zhì)組的影響
　　 缺氮條件下，葉片衰老過程中光系統(tǒng)中下調(diào)數(shù)量最多和下調(diào)量最大的差異蛋白主要集中于光合電子傳遞鏈末端PSI處，多以具有氧化還原功能的鐵硫蛋白和ATP合成蛋白為主，且光系統(tǒng)差異蛋白數(shù)

10、量占光/羧總數(shù)量的比例顯著增加，其中隸屬于PSI具有同化力形成功能的蛋白活性下降更為明顯。同時(shí)，缺氮條件下葉片羧化系統(tǒng)相關(guān)差異蛋白的表達(dá)量在衰老前期上調(diào)幅度顯著低于施氮處理，衰老中后期羧化系統(tǒng)相關(guān)差異蛋白表達(dá)量下調(diào)趨勢(shì)顯著高于施氮處理。總體上，氮素顯著的提高了葉片衰老前期的羧化系統(tǒng)關(guān)鍵酶的活性，使之消耗同化力的能力增強(qiáng)，同時(shí)葉片衰老前期光系統(tǒng)同化力形成能力在施氮條件下顯著上升，因此，施氮條件下葉片中前期光系統(tǒng)提供的大量同化力能夠被羧化系