兩優(yōu)培九及其親本對氮素響應的生理學與差異蛋白組學研究.pdf

1、氮素是水稻生長所需的大量元素之一,對稻米的產(chǎn)量和品質起著決定性的作用,也是水稻高產(chǎn)栽培、遺傳育種研究中的熱點問題。目前,國內外就水稻對氮素的高效利用、氮素育種、氮素營養(yǎng)遺傳、吸收利用機制等方面開展了深入的研究工作,取得了很多重要研究成果。但對水稻氮素響應的生理生化及分子機制仍不十分清晰,而對水稻氮素響應機制的了解是開展氮高效遺傳育種等研究的關鍵。本研究以超高產(chǎn)雜交水稻兩優(yōu)培九及其親本為供試材料,研究了三者在三個氮素水平(即以正常供氮水平

2、為1N,正常供氮水平含氮量的1/4為1/4N,正常供氮水平含氮量的2倍為2N)處理下的生物學性狀和生理生化指標的變化趨勢以及三個水平品種對氮素響應的基因型差異;同時利用雙向電泳技術研究各品種在1/4N和2N水平下同1N水平相比較地上部分和根系蛋白差異表達情況。在上述實驗基礎上我們深入探討了兩優(yōu)培九及其親本對氮素響應的生理性狀變化趨勢及品種間差異、低氮和高氮響應的分子機制及差異蛋白表達調控。主要研究結果如下:
　　 1、對兩優(yōu)培九

3、及其親本在三個氮素水平的整株生理學研究表明,兩優(yōu)培九及其親本對氮素的響應存在顯著的基因型差異,表現(xiàn)為品種因素＞氮素水平因素＞兩因素互作。在觀察的生物性狀(株高、最長根長、根系體積、根數(shù)、葉面積和葉重)中,除最長根長隨氮素水平的上升而減少以外,其余性狀均隨氮素水平的上升而增加,可見相對其它生物性狀的變化,最長根的伸長是一個主動響應低氮脅迫的變化:根系體積和葉重差異最大,可作為水稻氮素響應基因型差異的主要評價指標。從綜合生物學性狀來看,兩優(yōu)

4、培九具有雜交超親優(yōu)勢,在一些數(shù)量性狀上偏向父本。在對三個水稻品種在不同氮素水平的地上地下干物質積累量的研究發(fā)現(xiàn),水稻對氮素響應的差異不僅在品種之間存在差異,同一品種的不同器官亦有不同;如在1/4N時兩優(yōu)培九地上部分的生長和9311地下部分的生長對氮素的缺乏較敏感,而2N時9311地上部分的生長和PA64S根系的生長對高氮水平表現(xiàn)敏感,這反映了三者對氮素響應策略和機制的差異。在生理生化指標的分析表明,水稻植株吸氮總量與氮素水平成正相關增加

5、,但植株體內的氮素利用率呈現(xiàn)下降趨勢,反映了水稻對于低氮條件一種能動的自身營養(yǎng)調整能力。水稻葉綠素含量、光合速率、地上部分可溶性蛋白含量、硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性均隨氮素水平的上升而呈增加趨勢;其中除谷氨酰胺合成酶活性外,其余指標兩優(yōu)培九均處于最高水平,其次為9311,PA64S最低;而各品種在地上、地下部氮素的分配比例、地上部可溶性糖含量、淀粉酶活性和根系吸收面積方面對氮素水平的響應趨勢存在明顯的差異。
　　 2、對

6、兩優(yōu)培九及其親本地上部分在不同氮素水平蛋白差異表達的分析發(fā)現(xiàn),水稻9311、PA64S和兩優(yōu)培九中分別有19個、15個、19個蛋白質在對氮素的響應中發(fā)生差異表達變化;這些蛋白與光合作用、逆境脅迫、氮代謝、物質和能量代謝、植物生長和信號轉導相關;光合作用的蛋白酶隨著氮素水平的升高出現(xiàn)上調表達,可見氮素對光合作用起著明顯的促進作用;逆境脅迫相關蛋白在1/4N水平下出現(xiàn)上調表達,缺氮誘導了水稻植株中逆境蛋白的表達,這有利于減緩逆境傷害,維持植

7、物生長,是植物中一種積極的防御機制;各水稻品種間雖然差異表達的蛋白質種類有所差別,但均涉及以上所述的各個生命活動。由此可見,雖然LYP9及其親本間對氮素的反應的程度不一樣,但是它們可能存在一個普遍的響應氮的機制。同時我們還發(fā)現(xiàn),在親本9311和PA64S中變化的蛋白多數(shù)在子代兩優(yōu)培九也出現(xiàn)差異變化,這說明三者的遺傳關系。但這是否是LYP9在氮素響應中的雜種優(yōu)勢表現(xiàn),還有待進一步的研究探討。而那些在特定品種中表達的蛋白可能造成了品種間對氮

8、素響應的基因型差異。
　　 3、對兩優(yōu)培九及其親本根系在不同氮素水平蛋白差異表達的分析發(fā)現(xiàn),水稻9311、PA64S和兩優(yōu)培九中分別有21個、21個、20個蛋白質在對氮素的響應中發(fā)生差異表達變化;這些蛋白與逆境脅迫、物質能量代謝、氮代謝、生長相關蛋白、激素合成、信號轉導和細胞生長調控相關;我們對三種水稻根系在氮素響應中的差異表達蛋白進行分析發(fā)現(xiàn),乙烯可能在水稻根系氮素響應中作為一種信號分子開啟多個應答途徑,其可能機制為:外界氮饑

9、餓信號通過細胞表面受體將信號傳入細胞,通過誘導乙烯合成反應的關鍵酶ACC合酶(ACS)活性,使植物內源乙烯合成增加,同時乙烯合成前體物質的甲硫氨酸循環(huán)被反饋激活;乙烯信號分子同時誘導苯丙烷代謝途徑的關鍵酶基因PAL基因的表達,使PAL活性升高,促進苯丙烷代謝途徑。苯丙烷代謝途徑可生成類黃酮、木質素等多種次生代謝產(chǎn)物,在植物生長發(fā)育、抗病和抗逆方面發(fā)揮重要作用。此外,乙烯誘導植物體內的抗氧化清除系統(tǒng)如抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽

10、S-轉移酶(GST)活性上升,保護細胞免受氧化脅迫。氮的缺乏同時會影響鐵的吸收,而甲硫氨酸循環(huán)的活化增加了高鐵載體合成前體產(chǎn)生也有利于植物對鐵的利用;同時植物體通過蛋白酶體調整乙烯信號途徑的傳導方向避免其誘導pto抗性傳導途徑,引起植物組織壞死。由此可見,乙烯是通過調控根系中甲硫氨酸途徑、苯丙烷途徑、pto抗性傳導途徑和抗氧化清除系統(tǒng)來在氮素響應中發(fā)揮作用的。根系對氮素的響應是個主動的響應過程,在氮素缺乏時根系通過增加對根系的能力供應、